2 / 11
Оценка применимости термоэлектрической холодильной машины для термостабилизации…
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. № 5
49
чего тела АХ в результате увеличения толщины жидкой фазы на поверхности теп-
лообмена АХ с ФЧЭ температура контакта постепенно увеличивается и отклонение
от температуры стабилизации может достигать от 1 до 3 K.
Поэтому между криогенным АХ и ФЧЭ предлагается устанавливать термо-
электрический холодильник (ТЭХ), горячий спай которого установлен на АХ —
стоке теплоты для данной холодильной машины, а холодной спай — на ФЧЭ,
являющимся источником теплоты. При этом тепловая стабильность ФЧЭ до-
стигается путем изменения силы тока в ветвях ТЭХ по мере увеличения темпе-
ратуры АХ. Принципиальная схема ТЭХ в составе системы охлаждения ФПУ
приведена на рис. 1.
Рис. 1.
Принципиальная схема ТЭХ
в системе охлаждения ФПУ:
1
— ФЧЭ;
2
,
3
— изоляционные пластины;
4
,
5
,
6
— коммутационные пластины;
7
,
8
—
ветви термоэлемента;
9
— АХ;
10
— источник
электрической энергии
Особенности ТЭХ при криогенных температурах.
Основная сложность
использования ТЭХ в задаче охлаждения ФЧЭ заключается в необходимости
поддержания условий работы холодильной машины на уровне криогенных
температур: температура охлаждаемого элемента должна составлять от 60 до
65 K. Большинство полупроводниковых материалов при данных температурах
имеет низкую термоэлектрическую способность, обычно оцениваемую по ко-
эффициенту добротности (или коэффициенту качества) материала
z
:
,
z
где
— коэффициент термо-ЭДС;
— коэффициент теплопроводности;
—
удельное сопротивление.
Для некоторых материалов коэффициент добротности увеличивается при
помещении контура с током в магнитное поле (эффект Эттингсгаузена, эффект
Нернста — Эттингсгаузена и др.). Однако подобные термомагнитные холодиль-
ные машины здесь не рассматриваются, поскольку их конструкции несколько
сложнее ТЭХ из-за необходимости организации магнитного поля.
Известны полупроводниковые сплавы
n-
типа, имеющие аномальные тер-
моэлектрические свойства при криогенных температурах: при снижении темпе-
ратуры их коэффициент добротности повышается. Примерами являются спла-
вы Bi
1-
x
Sb
x
[5] и (Bi
1-
x
Sb
x
)
1-
z
Te
z
[4, 5], где 0 <
x
≤ 20. На
p-
ветвь для этих материа-
лов аномальность не распространяется.