TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE

Transkrypt

1 TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE SEMINARIUM Termoelektryczne urządzenia chłodnicze Teoretyczne podstawy działania Anna Krzesińska I M-M sem. 2 1

2 Spis treści Termoelektryczność...3 Efekt Seebecka...4 Efekt Peltiera...5 Ogniwo Peltiera...5 Efekt Thomsona...6 Zastosowanie modułów termoelektrycznych...6 Podsumowanie...6 Bibliografia...8 2

3 Termoelektryczność Zjawisko termoelektryczne to efekt bezpośredniej transformacji napięcia elektrycznego, występującego między dwoma punktami, lub odwrotnie - czyli transformacja różnicy temperatur na napięcie elektryczne. Jest ono wykorzystywane do ogrzewania, chłodzenia, pomiaru temperatury. Bardzo łatwo jest sterować napięciem elektrycznym i można je dokładnie rejestrować, dlatego też urządzenia wykorzystujące zjawisko termoelektryczne pozwalają na precyzyjną kontrolę temperatury i automatyzację procesów chłodzenia i ogrzewania. Termoelektryczność jest znana od dawna. Dzięki lepszemu poznaniu własności chemicznych wielu materiałów oraz rozwojowi technologicznemu może być ona w pełni wykorzystywana. Zjawisko termoelektryczne może wystąpić wówczas, gdy mamy dwa różne materiały - jeden z niedoborem elektronów, drugi z ich nadmiarem. Ponadto oba materiały mają różne temperatury (występuje gradient temperatur). Następuje wówczas przepływ elektronów, co generuje prąd o niewielkim natężeniu. Zjawisko termoelektryczne zachodzi w tzw. termoelementach (termoparach). Termopara (rys. 1.) to element obwodu elektrycznego składający się z dwóch różnych metali, zwykle w postaci przewodów spojonych na dwóch końcach. Wykorzystywane są jako czujnik temperatury. Jedno złącze termopary umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia. Pod wpływem różnicy temperatur między miejscami złączy powstaje różnica potencjałów i płynie prąd. Rys. 1. Schemat termoelementu. W zależności od kierunku transformacji zjawiska termoelektrycznego wyróżnia się trzy jego rodzaje: zjawisko Seebecka, zjawisko Peltiera, zjawisko Thomsona. 3

4 Efekt Seebecka W 1821 roku fizyk Thomas Johann Seebeck, odkrył zjawisko termoelektryczne, nazwane później jego nazwiskiem. Występuje przy spełnieniu dwóch warunków: Układ zawiera dwa różne metale lub półprzewodniki (jeden z niedoborem elektronów, drugi z ich nadmiarem), zwykle połączone ze sobą przewody, Występuje gradient temperatury. Efekt Seebecka polega na tym, że w obwodzie składającym się z dwóch różnych metali pojawia się różnica potencjałów między złączami, jeżeli oba złącza pozostają w różnych temperaturach. Stanowi on podstawę działania termopary. W warunkach idealnych wielkość powstającego napięcia (V) jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur (T 1, T 2 ) między złączami, oraz do różnicy współczynnika Seebecka (S A, S B ) (współczynnik termoelektryczny, charakterystyczny dla danego materiału) pomiędzy materiałami wykonania styków. Rys. 2. Schemat termopary. V - napięcie elektryczne powstające między złączami S A, S B - współczynniki termoelektryczne T 1, T 2 - temperatury złącz 4

5 Efekt Peltiera W 1834 roku francuski fizyk Jean Charles Athanase Peltier odkrył zjawisko termoelektryczne odwrotne do efektu Seebecka, mianowicie: pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze wydzielana lub pochłaniana jest energia. W wyniku pochłaniania energii na jednym złączu i wydzielania na drugim powstaje różnica temperatur. Możliwe jest odwrócenie temperatur złącz poprzez zmianę kierunku przepływu prądu. Właściwość odkryta przez Peltiera umożliwiła na przygotowanie modułów termoelektrycznych, tzw. Ogniw Peltiera, szeroko stosowanych w chłodnictwie przemysłowym oraz laboratoryjnym, szczególnie tam, gdzie wymagana jest wysoka czułość. Poniżej przedstawiono wzór na strumień ciepła, (tzw. ciepło Peltiera) jaki uzyskuje się w modułach wykorzystujących to zjawisko. π AB - współczynnik Peltiera I - natężenie prądu Ogniwo Peltiera Ogniwo Peltiera to półprzewodnikowy element termoelektryczny wykorzystujący zjawisko Peltiera do przekazywania ciepła. Jest ono złożone z dwóch równolegle osadzonych płytek ceramicznych, pomiędzy płaszczyznami których znajdują się naprzemiennie ułożone półprzewodniki typu n oraz typu p. Półprzewodniki połączone są ze sobą blaszkami miedzianymi szeregowo pod względem elektrycznym. Rys. 3. Ogniwo Peltiera (schemat i model). Półprzewodniki typu p wykazują w swojej strukturze brak elementów do całkowitego obsadzenia górnego poziomu energetycznego, natomiast półprzewodniki typu n posiadają zbyt wiele elektronów na tym poziomie energetycznym. 5

6 Gdy przepływa prąd, elektrony przemieszczają się, co w jednym przypadku wymaga dostarczenia energii, a w drugim jej wydzielenia. Moduły można ze sobą łączyć, co pozwala na uzyskanie większej wydajności. Efekt Thomsona W 1856 roku William Thomson, brytyjski fizyk pochodzenia irlandzkiego, matematyk oraz przyrodnik, odkrył zjawisko termoelektryczne. Efekt Thomsona polega na tym, że jeśli mamy jednorodny przewodnik lub półprzewodnik, w którym występuje gradient temperatury, to podczas przepływu prądu stałego przez ten element wydzielana lub pochłaniana jest pewna ilość ciepła, zwana Ciepłem Thopmsona. Dla materiałów o mieszanym typie przewodności wykorzystywanych w termoelementach, efekt Thomsona jest tak niewielki, że można go nie uwzględniać w obliczeniach. Zastosowanie modułów termoelektrycznych Moduły termoelektryczne są stosowane do procesów i urządzeńwymagających precyzyjnej regulacji temperatury. Ponadto używa się ich do: przechowywania i transportu tkanek oraz preparatów biologicznych, budowy komór klimatycznych, chłodzenia generatorów wysokiej mocy, termostatów do akwarium i terrarium, chłodzenia nagrzewających się elementów elektronicznych, procesorów, kart graficznych, budowy przenośnych lodówek, budowy komór do przechowywania win. Podsumowanie Urządzenia chłodnicze wykorzystujące układy termoelektryczne w porównaniu do tradycyjnych urządzeń wykazują przewagę pod kilkoma względami. Posiadają wiele zalet: brak płynu roboczego (czynnika chłodniczego), oleju smarnego - czysta praca, brak podzespołów pracujących pod ciśnieniem, brak części ruchomych - cicha praca, mniejsza masa i rozmiary przy tej samej wydajności chłodniczej, 6

7 możliwość zasilania prądem stałym i zmiennym (za pośrednictwem przetwornika), możliwość pracy rewersyjnej przez zmianę biegunowości prądu, wysoka dokładność utrzymywania i regulowania temperatury, brak bezwładności (rozpoczęcie chłodzenia bezpośrednio po włączeniu zasilania), niska wrażliwość na wstrząsy i drgania, możliwość pracy w dowolnej orientacji w przestrzeni, w różnych warunkach (w próżni, przy wysokim ciśnieniu), nie wymaga obsługi podczas pracy, wysoka niezawodność, prosta konstrukcja, możliwość dopasowania kształtu agregatu termoelektrycznego do formy chłodzonego obiektu, miniaturyzacja (moduły rozmiarów <1 mm), wysoka podatność remontowa większości urządzeń termoelektrycznych. Są również pewne wady, które ograniczają zastosowanie modułów termoelektrycznych: niska efektywność w trybie chłodzenia, wrażliwość na pulsacje napięcia, ograniczenie zastosowania przy wydajnościach chłodniczych powyżej 1 kw. Rozwiązania wykorzystujące termoelektryczność w niedługiej przyszłości staną się poważną alternatywą dla standardowych urządzeń klimatyzacyjnych. 7

8 Bibliografia Filin S. Termoelektryczne urządzenia chłodnicze, IPPU MASTA, Gdańsk 2002; Tauc J. Zjawiska fotoelektryczne i termoelektryczne i termoelektryczne w półprzewodnikach, wyd. PWN, Poznań 1966;