Способ термоэлектрического охлаждения Советский патент 1980 года по МПК H01L35/34 

1

Изобретение относится к области техники получения низких и сверхнизких температур и может быть использовано для охлаждения в области гелиевых температур.

Известны способы получения низких температур в гелиевой области, которые связаны с отбором тепла при разупорядочивании 1.

Известен термоэлектрический способ охлаждения 2, основанный на разнице в коэффициентах Пельтье двух проводников, Способ состоит в пропускании электрического тока через пару (несколько пар) последовательно соединенных проводников, при этом в одном контакте (спае) тепло выделяется, в другом поглощается, и возникает разница температур тем большая, чем больше разница в коэффициентах Пельтье двух упомянутых проводников. Преимуществом термоэлектрического способа охлаждения является предельная простота в конструкции и эксплуатации, отсутствие движущихся частей. Известно также, что такой способ может стать несколько эффективнее в магнитном поле определенной величины (что не следует, однако, путать с охлаждением

в магнитное поле за счет эффекта Эттингсгаузена).

Недостатки термоэлектрического способа состоят в следующем: во-первых, эффективность охлаждения заметно понижается в

области низких температур, в гелиевой области температур величина термоэдс S поряд ка нескольких микровольт на градус (соответственно малы и коэффициенты Пельтье П Sr, где Т - температура); во-вторых, удельное сопротивление контакта, двух проводников, например спая, всегда- больше сопротивления самого материала, поэтому в спае всегда выделяется большое количество дополнительного джоулева тепла, уменьшающего полезный эффект.

15

Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения в области гелиевых температур за счет использования эффекта Пельтье в условиях эффекта магнитного пробоя.

20

Для достижения указанной цели по предлагаемому способу электрический ток пропускают через монокристалл, находящийся в неоднородном магнитном поле, и тепло

снимают с границ участков с различной напряженностью магнитного поля.

Основой изобретения является тот факт, что в условиях магнитного пробоя на монокристаллах некоторых металлов, например бериллия и цинка , а также магния и алюминия, имеют место гигантские по амплитуде осцилляции термоэдс S (Я) в области температур около 2-4°К и ниже. При этом величина термоэдс S (Я) в пиках в сотни раз больше S (0) и достигает- 100 мкВ/град (для бериллия).

Фиг. 1-3 поясняют предлагаемый способ.

На фиг. 1 изображен небольшой участок зависимости S (Я) для монокристалла бериллия (или цинка), гексагональная ось которого приблизительно параллельна магнитному полю.

Нетрудно видеть, что монокристаллический образец при небольших изменениях магнитного поля (величина периода может изменяться от десятков до сотен эрстед) изменяет коэффициент Пельтье на противоположный и обратно. Пусть области магнитного поля для положительного и отрицательного значений термоэдс будут соответственно I и И, как это обозначено на фиг. 1. Тогда в области I направление потока тепла совпадает с направлением электрического тока /, в области И противоположно ему. Ясно, что если расположить монокристаллический образец так, что часть его будет в областей I, а соседняя в области II, то промежуточный участок эквивалентен спаю между двумя проводниками с большой разницей в коэффициентах Пельтье - расстояние от пика до пика - и пропускание тока по образцу будет приводить либо к выделению, либо к поглощению тепла в зависимости от направления тока, при этом никакого добавочного сопротивления в спае нет: разница обусловлена просто различным расположением уровня Ферми относительно верхнего уровня Ландау в областях I и II. Строже говоря, уровень Ландау в условиях магнитного пробоя превращается в довольно узкую магнитопробойную зону, электронами которой обусловлена вся или почти вся проводимость. Наличием таких узких зон, положение которых очень чувствительно к магнитному полю, и обусловлено возникновением огромных термоэдс в очень низких температурах.

На фиг. 2 и 3 представлены схематически два варианта, иллюстрирующие принцип получения эффекта охлаждения. Через монокристаллический образец 1, расположенный в магнитном поле (направлено на фиг. 2 вертикально) так, что имеет место магнитный пробой (для бериллия и цинка гексагональная ось кристалла должна быть приблизительно параллельна магнитному полю).

пропускают ток /, при этом электровводы термостатированы ванной 2 .с температурой Т посредством термоконтактов 3; I и И - области с различной величиной коэффициента Пельтье соответственно фиг. 1. Стрелками

показано направление потока тепла. Горячие спаи 4 соединены холодопроводами с ванной 2 посредством термоконтактов 3, холодные спаи 5 соединены холодопроводами с образцом 6, с которого снимают тепло и температура которого понижается до Га

0 Т. Разбиение образца на области I и II осуществляется в однородном магнитном поле, соответствующем пику термоэдс I (или II) посредством добавления или вычитания (для этого можно использовать дополнительные витки с током, профилированные железные сердечники, сверхпроводящие экраны и т. д.) соответствующей небольшой величины поля, так что получается неоднородное распределение магнитного поля Н н Яц., показанное условно внизу.

Разбиение на области I и II можно получить и в естественном градиенте магнитной системы, например соленоида. При этом следует иметь в виду, что на форму образца никаких ограничений не накладывается,и можно использовать, например, конструкцию, изображенную на фиг. 3, обозначения те же, что и для фиг. 2. Распределение магнитного поля показано внизу. Магнитное поле направлено горизонтально.

0 Легко видеть, что в предлагаемом способе не возникает принципиальных трудностей при комбинировании, как это обычно делается для параллельных и последовательных каскадов.

Полезный эффект, т. е. предельный перепад температуры Л7 7| - Т г можно оце нить из элементарной формулы A7/7 S2/4 (L- S 2), где L 2,45 Ю В2/град2 - число Лоренца.

Используя уже полученную в эксперименте величину В/град на бериллии, имеем на один каскад охлаждение АГ/7 МО-20%, т. е. примерно столько же, что и у лучших используе:мых в технику термоэлектрических устройствах при больших температурах. Однако на основании новых

экспериментов следует считать, что эффект может быть гораздо большим на лучших по качеству монокристаллах.

Формула изобретения

Способ термоэлектрического охлаждения, основанный на пропускании электрического тока через проводники и съеме тепла за счет эффекта Пельтье, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения в области гелиевых температур, электрический ток пропускают через монокристалл, находящийся в неоднородном магнитном поле, и тепло снимают с границ участков с различной напряженностью магнитного поля.

Источники й нформации, принятые во внимание при экспертизе

/Магнитное поле,

н

1.Уайт Г. К. Экспериментальная техника в физике низких температур. М., 1961, с. 23.

2.Ангриста С. Гальваномагнитные и jepмомагнитные явления. Сб. «Физика твердого тела в. 8, М., 1972. Фиг.1