Содержание к диссертации
Введение
1. Электрокалорический эффект и теплопреобразователи на его основе 14
1.1. Физические основы электрокалорического эффекта в сегнетоэлетриках 14
1.2. Перспективные электрокалорические материалы 16
1.2.1. Сегнетоэлектрики-релаксоры 16
1.2.2. Электрокалорические характеристики твердых растворов магнониобата свинца – титаната свинца 18
1.2.3. Электрокалорические характеристики твердых растворов титаната бария-стронция 26
1.2.4. Электрокалорический эффект в полимерных сегнетоэлектриках 32
1.3. Охлаждающие устройства на основе электрокалорического эффекта
в сегнетоэлектриках 35
2. Методы исследования электрокалорического эффекта 47
2.1. Прямые методы измерения величины электрокалорического эффекта в объемных и слоистых образцах 47
2.1.1. Измерение ЭК эффекта с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии 47
2.1.2. Измерение электрокалорического эффекта в объемных и многослойный образцах термопарными и терморезистивными методами 50
2.2. Методы прямого и косвенного измерения величины электрокалорического эффекта в тонких пленках 56
2.3. Метод измерения величины электрокалорического эффекта с помощью СВЧ ферромагнитного резонатора 60
3. Разработка охлаждающего устройства на основе электрокалорического эффекта без использования тепловых ключей 69
3.1. Принцип работы электрокалорического охладителя без использования тепловых ключей 69
3.1.1. Электрокалорический отклик сегнетоэлектрического конденсатора в различных термодинамических условиях 69
3.1.2. Термодинамический цикл электрокалорического охладителя, работающего без использования тепловых ключей 74
3.2. Математическая модель электрокалорического отклика сегнетоэлектрического конденсатора на воздействие периодического электрического поля 77
3.2.1. Вывод уравнения теплопроводности для среды с учетом электрокалорического эффекта 77
3.2.2. Аналитическое решение уравнения теплопроводности для среды с активным электрокалорическим элементом 78
3.4. Численное моделирование твердотельной электрокалорической охлждающей линии с одним и двумя активными элементами 87
3.4.1. Основные подходы к моделированию и оптимизации твердотельной охлаждающей линии 87
3.4.2. Моделирование твердотельной охлаждающей линии на основе многослойных емкостных структур 94
3.5. Экспериментальное подтверждение эффекта охлаждения при подачи периодического сигнала на электрокалорический элемент, находящийся в неравновесных условиях, выполненное сторонними авторами 98
3.6. Радиальный электрокалорический микроохладитель без тепловых ключей и теплового сброса, вычислительная модель и прототип 104
Заключение 108
Список литературы 110
- Сегнетоэлектрики-релаксоры
- Измерение электрокалорического эффекта в объемных и многослойный образцах термопарными и терморезистивными методами
- Термодинамический цикл электрокалорического охладителя, работающего без использования тепловых ключей
- Численное моделирование твердотельной электрокалорической охлждающей линии с одним и двумя активными элементами
Введение к работе
Актуальность темы. Научно-техническое направление, связанное с разработкой и широким внедрением в практику компактных, экологически безопасных, экономичных и высоконадежных охладителей, работающих как в комнатных условиях, так и в области криогенных температур, чрезвычайно актуально для современного общества. В настоящее время существует ряд серьезных претензий к ныне действующим охлаждающим системам. Классические схемы парожидкостного охлаждения с использованием компрессионных систем и термоэлектрические охлаждающие системы не отвечают современным требованиям в связи с микроминиатюризацией, увеличением мощности и постоянным возрастанием плотности компоновки электронных компонентов в устройствах сбора, хранения, обработки и передачи информации. Среди разнообразных альтернативных технологий трансформаторов тепла наибольший интерес исследователей и разработчиков во всем мире привлекают возможности использования магнетока-лорического и электрокалорического эффекта в твердотельных структурах. Однако, теплопреобразующие устройства, основанные на магнетокалорическом эффекте, обладают целым рядом недостатков: отсутствием дешевых высокоэффективных и малогабаритных генераторов сильного магнитного поля, трудностями модуляции величины напряженности магнитного поля, высокой стоимостью эффективных магнетокалориче-ских материалов. Электрокалорический же эффект до недавнего времени в силу своей незначительности (изменение температуры не превышало 0.1 К) не рассматривался с точки зрения практического применения. Но в последнее десятилетие, благодаря появлению новых электрокалорических материалов и широким внедрением технологий создания многослойных емкостных структур, наблюдается резкий всплеск интереса к охлаждающим устройствам на основе электрокалорического эффекта. В последних работах в области электрокалорического эффекта экспериментально показан эффект изменения температуры в 10-20 градусов при напряженности электрического поля 3 В/мкм. Применение технологий высоко- и низкотемпературной совместноспеченной керамики для создания многослойных электрокалорических элементов позволяет понизить рабочие напряжения охладителя при сохранении количества активного вещества до напряжений, используемых в изделиях бытовой и портативной электроники. Главной технической трудностью в направлении создания малогабаритных высокоэффективных твердотельных охладителей на электрокалорическом эффекте является необходимость использования тепловых ключей для осуществления процесса отвода тепла от охлаждаемого объекта. Именно отсутствие эффективных быстродействующих твердотельных элементов прерывания теплового потока не позволяет на сегодняшний день создать конкурентоспособное охлаждающее устройство на основе электрокалорического эффекта. Решением данной проблемы является создание электрокалорического охладителя, работающего без использования тепловых ключей, что способствует увеличению его эффективности и возможности интеграции в различные электронные системы и комплексы.
Целями диссертационной работы являются разработка принципа построения твердотельной распределенной охлаждающей линии на основе активных электрокалорических элементов, исключающего использование тепловых ключей, и разработка метода анализа калорических эффектов в структурах с малой теплоемкостью.
Для достижения поставленных целей необходимо решение следующих научно-технических задач:
разработка базового принципа охлаждения без использования тепловых ключей на основе электрокалорического эффекта в сегнетоэлектрических материалах;
построение математической модели твердотельного охладителя, работающего без использования тепловых ключей;
численное моделирование твердотельного охладителя, работающего без использования тепловых ключей;
поиск методов усиления эффекта охлаждения в твердотельном охладителе, работающем без использования тепловых ключей;
разработка метода измерений малых температурных изменений в электрокалорических материалах и структурах с малой теплоемкостью. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложен принцип охлаждения активного электрокалорического элемента, основанный на нелинейности температурной зависимости поляризации сегнетоэлектри-ческого материала и выборе рабочей точки.
-
Предложен принцип реализации твердотельного охладителя посредством подачи периодического сигнала на активный электрокалорический элемент, находящийся в неравновесных тепловых условиях.
-
Разработана математическая модель, описывающая процессы в электрокалорическом элементе, находящемся в неравновесных тепловых условиях при подаче периодического сигнала.
-
Разработана численная конечноэлементная модель, описывающая процесс охлаждения в распределенной охлаждающей линии, работающей без использования тепловых ключей.
-
Разработан метод измерений величины электрокалорического эффекта с использованием температурной зависимости резонансной частоты пленочного СВЧ ферромагнитного резонатора.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанный новый оригинальный метод измерения, основанный на температурной зависимости резонансной частоты планарного пленочного СВЧ ферромагнитного резонатора, позволяет исследовать малые тепловые эффекты в структурах с малой теплоемкостью. При использовании в качестве материала резонатора монокристаллических пленок железо-иттриевого граната крутизна температурной зависимости резонансной частоты составляет 10-4 К/кГц в области комнатной температуры.
-
Выбор рабочей точки на нелинейной температурной зависимости поляризации сегнетоэлектрического образца, находящегося в неравновесных условиях, позволяет получить различные величины электрокалорического эффекта при поляризации и деполяризации сегнетоэлектрического материала.
-
Периодическая подача сигнала на электрокалорический элемент, находящийся в неравновесных тепловых условиях при заданной начальной температуре, приводит к эффекту понижения температуры на теплоизолированной границе образца.
-
Увеличение количества электрокалорических элементов и выбор материалов элементов со сдвигом температуры фазового перехода приводит к усилению холодо-производительности твердотельного электрокалорического охладителя.
Практическая значимость полученных в работе результатов:
-
Предложен принцип и термодинамический цикл работы электрокалорического охладителя без использования тепловых ключей.
-
Разработаны математическая и численная модели, описывающие основные параметры электрокалорического охладителя без использования тепловых ключей.
-
Разработан прототип микроохладителя, работающий без использования тепловых ключей, на основе активных электрокалорических элементов на базе многослойных емкостных сегнетоэлектрических структур.
-
Предложен новый метод измерений малых тепловых изменений. Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается сравнительным анализом экспериментальных данных и данных, полученных в результате моделирования, а также имеющимися литературными данными и широким обсуждением результатов на конференциях и семинарах, включая публикации в рецензируемых журналах.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Fourth International Conference on Microwave Materials and their Applications -MMA2006, 12-15 June 2006, Oulu, Finland;
Межкафедральном научно-техническом семинаре «Современные проблемы СВЧ техники и электроники» в рамках проекта Nanostar 6-й рамочной программы Европейской Комиссии Института Инженеров в Области Электроники и Электротехники -IEEE , 26 января 2007, Санкт-Петербург, Россия;
Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ", 30 января - 7 февраля 2007, Санкт-Петербург, Россия;
International Symposium on Integrated Ferroelectrics (19) (ISIF-19), 8-12 May 2007, Bordeaux, France;
Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC-2007), 14-16 ноября 2007, Москва, Россия.
Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ", 29 января - 8 февраля 2008, Санкт-Петербург, Россия;
Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XVIII), 9 - 14 июня 2008, Санкт-Петербург, Россия;
Международной научно-технической конференции Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ, 30 ноября - 2 декабря 2010, Санкт-Петербург, Россия.
Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XIX), 20 - 23 июня 2011, Москва, Россия;
Всероссийской научно-технической конференции «Микроэлектроника СВЧ», 4 -7 июня 2012, Санкт-Петербург, Россия;
10th International Workshop on Subsecond Thermophysics, 26-28 June 2013, Karlsruhe, Germаny.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе – 7 статей в научных журналах, входящих в перечень ВАК, 7 работ в материалах международных и российских научно-технических конференций, 1 монография. Список печатных работ автора по теме диссертации приведен в конце работы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 73 наименования. Основная часть работы изложена на 94 страницах машинописного текста. Работа содержит 89 рисунков.
Сегнетоэлектрики-релаксоры
В предыдущие годы исследователями из разных стран были предложены несколько вариантов прототипов охладителей на основе электрокалорического эффекта в сегнетоэлектрических материалах. Все предложенные прототипы реализованы либо с использованием тепловых ключей, либо с использованием механического перемещения электрокалорического элемента. На рис. 1.30 представлена обобщенная схема работы охладителя с использованием тепловых ключей [42]. Принцип работы подобных охладителей состоит в следующем: в начале цикла происходит адиабатическая поляризация электрокалорического элемента (рис. 1.30 (a-b)), в результате которой температура элемента возрастает. Затем происходит, посредством теплового ключа, либо перемещения электрокалорического элемента к тепловому сбросу, передача выделившегося тепла во внешний тепловой резервуар большой емкости, находящийся на температурном уровне, соответствующем начальной температуре электрокалорического элемента (рис. 1.30 (b-c)). На третьем этапе цикла происходит адиабатическая деполяризация ЭК элемента, в результате чего температура электрокалорического элемента понижается ниже начальной (рис. 1.30 (с-d)). На заключительном этапе цикла происходит охлаждение охлаждаемого объекта, за счет перетекания тепла через тепловой ключ от охлаждаемого объекта в электрокалорический элемент, находящийся на более низком температурном уровне (рис. 1.30 (d-a)). В дальнейшем цикл повторяется. Следует отметить, что устройство с одним электрокалорическим элементом, соединенным с тепловой нагрузкой и тепловым резервуаром посредством тепловых ключей не позволяет понизить температуру более чем на величину эле-трокалорического эффекта. Для увеличения температуры охлаждения необходимо применять последовательное соединение подобных устройств.
Иллюстрация работы теплового ключа на жидких кристаллах при разном направлении приложенного электрического поля [43]. Принцип работы подобного охладителя заключается в последовательности циклов адиабатической поляризации и деполяризации при закрытых тепловых ключах, и отборе тепла от охлаждаемого объекта, либо сбросу тепла на тепловой сброс при одном открытом тепловом ключе (рис. 1.32). В случае охлаждения объекта ключ №1 закрыт, ключ №2 открыт. В случае сброса тепла в тепловой резервуар ключ №1 открыт, ключ №2 закрыт. Понятия открытый и закрытый тепловой ключ коррелируются с понятиями разомкнутый и замкнутый ключ в электротехнике соответственно.
В работе [44] авторы предлагают прототип элетрокалорического охладителя на основе тепловых ключей на базе электрогидродинамических потоков в специальных диэлектрических жидкостях. Жидкостью типа HFE-7100 заполняется пространство между двумя плоскими электродами, толщина прослойки жидкости около 1000 мкм. При приложении напряжения к электродам, в жидкости индуцируется электродинамический поток, направленный по нормали к плоскости электрода, который обеспечивает перенос тепла от одной плоскости до другой (рис. 1.33). Подобные электродинамические потоки позволяют изменять теплопровод-37 ность слоя с 80 Вт/(м К) до 350400 Вт/(м К) при приложении напряжения (рис. 1.34).
Применение подобной активной среды между подвижными плоскостями позволяет уменьшить силу сжимания двух плоскостей для обеспечения хорошего теплового контакта. При этом особенности каплеобразования позволяют переве сти тепловой ключ в открытое состояние разносом плоскостей на расстояние, которое не приводит к отрыву плоскости от поверхности капли, что положительно сказывается на энергозатратах, необходимых для микромеханической актюации.
В работах [46,48] рассматривается возможность построения охладителя с использованием тепловых ключей на основе механическое перемещение слоистой структуры, подвешенной на гибкой кремниевой мембране и капельного тепло-проводящего интерфейса. Механичекое перемещение слоистой структуры реализуется за счет маломощного микроэлектромеханического актюатора (рис. 1.36).
Схема работы электрокалорического охладителя на основе перемещения слоистой структуры с использованием капельного теплопроводяще-го интерфейса: (a) - поляризация(деполяризация) ЭК элемента в адиабатных условиях; (b) - посредством микромеханического актюатора ЭК элемент соединяется с тепловым резервуаром (источником тепла) с использованием капельного теплопроводящего интерфейса [46]. В работах [49 – 51] X. Гу, предлагает прототип электрокалорического осциллирующего охладителя на основе пленок сегнетоэлектрического полимера на базе поливилиденфторида-трифторэтилена, (рис. 1.37). эффекта для сегнетоэлектрического полимера, использованного для создания прототипа твердотельного ЭК охладителя [50].
Прототип электрокалорического охладителя работает по принципу перемещения активного электрокалорического охладителя относительно неподвижного регенератора, обладающего сильно выраженной анизотропией теплопроводности. Теплопроводность регенератора по нормали к длинной стороне регенератора на порядок ниже, чем вдоль регенератора. Такая анизотропия обеспечивает минимизацию паразитного теплового потока от охлаждаемого объекта к тепловому сбросу. На рис.1.38 представлены основные этапы охлаждающего цикла охладителя. Слева регенератор соединен с охлаждаемым объектом, на правой границе регенератора обеспечивается эффективный тепловой сброс за счет соединения регенератора с тепловым резервуаром повышенной емкости
Измерение электрокалорического эффекта в объемных и многослойный образцах термопарными и терморезистивными методами
Исследования ЭК эффекта в тонких пленках представляют интерес из-за возможности создания больших, вплоть до пробойных [57], величин напряженности электрического поля в пленке, вследствие чего существует возможность получения ультрабольших (несколько десятков градусов и выше) величин ЭК эффекта. Методы измерений, описанные в параграфе 2.1 данной работы не пригодны для исследования ЭК эффекта в тонких и толстых пленках, ввиду малой теплоемкости пленки.
В работе [58] описан метод измерения изменения температуры в тонких пленках, основанный на формировании золотого терморезистивного мостика между подложкой и пленочным образцом (рис. 2.11).
Основным недостатком данного метода является то, что он не подходит для проведения экспресс анализа материалов и требует затратной технологической подготовки образцов. Технологическая сложность применения данного метода также состоит в том, что для тонкой пленки необходимо избежать закороток между верхним и нижним электродами на достаточно большой площади, что достаточно трудновыполнимо для пленок толщиной меньше 1 мкм. Также, в погрешность измерений вносит вклад паразитный тепловой поток по электродам термо-резистивного мостика.
В работе [59] применен метод исследования ЭК эффекта в тонких пленках с помощью инфракрасного сенсора. Пленка полимерного сегнетоэлектрика P(VDFrFE) состава 68/32% в процессе измерений располагается на каптоновой теплоизолирующей подложке (рис. 2.11). Недостатком метода измерения с использованием инфракрасных датчиков температуры является достаточно большое время накопления сигнала первичным пирометрическим преобразователем и низкое разрешение по температуре. Вследствие этого инфракрасные датчики применяют в основном для измерения изменения температуры на теплоизолирующих подложках и при величине изменения температуры от 0.5 градуса и выше.
На рис. 2.12 представлены величины ЭК эффекта в полимерной сегнето-электрической пленке измеренные с помощью инфракрасного датчика. В данной пленке удалось получить величину ЭК эффекта в 20 градусов при напряженности поля 160 В/мкм. Такие напряжённости поля уже близки к пробойным для данных пленок. В работе [60] указывается, что пробойная напряженность поля для объемного образца P(VDFrFE) состава 68/32% составляет около 350 В/мкм.
При отсутствии возможности формирования пленки на теплоизолирующей подложке, либо возможности создания на пленке температурного сенсора методами микротехнологии, некоторые авторы для оценки величины электрокалорического эффекта применяют косвенные методы измерения. В основе косвенного метода измерений ЭК эффекта лежит применение формулы (1.4) [61-66]. Для расчета температурной и полевой зависимости ЭК эффекта необходимо провести измерения зависимости поляризации от температуры при различных напряженно-стях электрического поля P(T, E) (рис. 2.13). Также желательно провести измерения теплоемкости материала при постоянной напряженности поля CE(T,E). Для измерения температурной зависимоти поляризации при различных напряженно-стях поля обычно применяют стандартную схему Сойера-Тауэра для снятия ги-стерезисных кривых.
Недостатком метода косвенного измерения ЭК эффекта является то, что данный метод не всегда дает точную оценку ЭК эффекта в материале. Это связано прежде всего с тем, что формула (1.4), выведенная из термодинамичеких соотношений Максвелла не учитывает всех физических особенностей ЭК эффекта. На рисунке 2.14 приводится пример различия величины ЭК эффекта, полученной путем прямого и косвенного измерения.
Основным недостатком методов измерений, описанных в параграфах 2.1 и 2.2 данной работы, является то, что данные методы не подходят для исследования динамических характеристик ЭК эффекта на частотах свыше 1 Гц.
В данной работе предложен метод измерений величины и постоянной времени электрокалорического эффекта с использованием температурной зависимости резонансной частоты пленочного СВЧ ферромагнитного резонатора [E7]. Данный метод позволяет с высокой точностью проводить измерения быстропро-текающих температурных изменений, как в объемных, так и в пленочных образцах с малой теплоемкостью.
В основу метода положено то, что намагниченность насыщения ферромагнетика М0 имеет сильную температурную зависимость [68], которая может применяться для температурных измерений. На рис. 2.15 приведена кривая М0(Т) для эпитаксиальной пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ). Важным обстоятельством является тот факт, что в области комнатной температуры (200 - 400 К) эта кривая может быть аппроксимирована линейной зависимостью вида:
Термодинамический цикл электрокалорического охладителя, работающего без использования тепловых ключей
Ниже проведено одномерное моделирование охлаждающей линии, в качестве активных элементов которой выбраны реальные многослойные сегнетоэлек-трические емкостные структуры, описанные в параграфе 3.1.2. В качестве материала емкостных структур был выбран чистый титанат бария, описанный в работе [34]. Температурные зависимости поляризации и первой производной поляризации по температуре активных элементов представлены на рис. 3.18. Для уменьшения времени расчета была проведена линеаризация ЭК члена (рис. 3.18 (б)) в уравнении теплопроводности (3.53). При моделировании на активный элемент подавался набор прямоугольных импульсов, со скважностью 50%. Напряженность поля в элементе составляла 7.5 В/мкм, ЭК отклик активного элемента на такую напряженность поля в адиабатных условиях составил 0.25К. Начальная температура равнялась 363К.
Температурная зависимость поляризации (а) и первой производной поляризации по температуре (б) при разных напряженностях поля для керамики на основе титаната бария [34]. В качестве объекта моделирования была выбрана линия, представленная на рис. 3.19. В данной модели охлаждающей линии оба конца (x=0, L) термоизоли-рованы. На конденсаторы подается сигнал со сдвигом по фазе на полпериода. Данный подход к подаче сигнала обеспечивает минимизацию температурных колебаний в точке L/2 относительно среднего значения температуры в установившимся режиме за счет сложения температурных волн, находящихся в противофа-зе, индуцируемых активными ЭК элементами.
На рисунке 3.20 представлена зависимость понижения температуры точки L/2 от времени при подачи периодического сигнала разной частоты. Длина емкостных структур (x1 – x2 , x3 – x4) составила 3 мм, длина тепловых буферов (0 - x1, x4 - L) – 5 мм, длина соединительного элемента (x2 - x3) – 7 мм. В качестве материала тепловых буферов и соединительного элемента, была использована медь. 363,10 363,05
В заключении параграфа можно отметить, что термодинамический анализ процесса охлаждения в твердотельной линии, включающей два ЭК конденсатора, показал, что максимальное значение эффективности твердотельного охладителя достигается при значениях температуры вблизи отрицательного экстремума температурной зависимости первой производной поляризации по температуре. По проведенной в работе [Е6] оценке термодинамической эффективности ЭК преобразователя можно отметить, что в случае величины изменения температуры в термодинамическом цикле AT = 1.0 K, эффективность составляет 0.60 Сarnot. Полученное значение существенно превышает значения эффективности пароком-прессионных холодильных преобразователей энергии. Для того, чтобы достигнуть охлаждения в широком температурном интервале целесообразно использовать каскадное соединение [ЕЗ - Е4, Е8]. В этом случае твердотельная охлаждающая линия является одним из элементов холодильного каскада, связывающего охлаждаемый объект и тепловой сток (теплообменник). Для повышения эффективности каскадного охладителя ЭК-элементы изготавливаются из материалов с повышающейся температурой Кюри от элемента к элементу. С точки зрения термодинамической эффективности поиск материалов с большой величиной температурного ЭК эффекта не является самым актуальным направлением исследований и разработок твердотельных охладителей. Гораздо важнее является подбор материалов с пологой зависимостью dP/dT в области экстремума функции, а также возможность варьировать критическую температуру сегнетоэлектрика в широком диапазоне. Указанным требованиям наиболее соответствуют твердые растворы сегнетоэлектриков, например перовскит BST и релаксорные материалы, такие как PMN-PT, т.е. такие материалы, в которых возможно управлять значением критической температуры в широком диапазоне посредством изменения состава материала. 3.5. Экспериментальное подтверждение эффекта охлаждения при подачи периодического сигнала на электрокалорический элемент, находящийся в неравновесных условиях, выполненное сторонними авторами
В 2012 году на Второй Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ» (Санкт-Петербург, 27 – 30 ноября 2012г) был представлен доклад на тему “Электрокалорический эффект в триглицинсульфате (ТГС) в неравновесных тепловых условиях” по результатам работы, выполненной В.С. Бондаревым и И.Н. Флеровым в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН [71]. В данной работе авторами было исследовано поведение емкостной структуры на основе объемного образца триглицинсульфата (ТГС) (рис. 3.21) в неравновесных условиях.
Численное моделирование твердотельной электрокалорической охлждающей линии с одним и двумя активными элементами
В данном параграфе предлагается численная модель и прототип твердотельного охлаждающего устройства, работающего без использования тепловых ключей, и, не нуждающаяся в тепловом сбросе, на основе многослойных емкостных структур. В качестве активных ЭК элементов были выбраны сегнетоэлектри-ческие чип-конденсаторы, размером 3.2х2.5х1.7 мм емкостью 100 мкФ. Все шесть конденсаторов монтируются в единую общую сборку обеспечивающую подачу сигнала на каждый емкостной элемент и минимизацию тепловых потерь прототипа. Одна из обкладок каждого конденсатора граничит с общим тепловым буфером, находящимся под потенциалом земли (рис. 3.26). Измерение флуктуа-ций температуры происходит в центре общего теплового буфера. Другая обкладка каждого конденсатора граничит с собственным тепловым буфером, через нее же идет подача управляющего сигнала.
Сигнал на противоположные пары конденсаторов подается со сдвигом по фазе на полпериода. Электрофизические свойства материала диэлектрика многослойных емкостных структур взяты из работы [34] (см. рис. 3.18). Для моделирования использовался метод конечных элементов. Для упрощения модели и ускорения расчета при моделировании прототипа, в качестве расчетной модели была использована двухмерная проекция прототипа охладителя (рис.3.27).
Параметры подачи сигнала на прототип аналогичны описанным в параграфе 3.4.2. В качестве материала тепловых буферов использовалась медная фольга толщиной 500 мкм. Диаметр общего теплового буфера составил 8мм. Размеры тепловых буферов выбраны таким образом, чтобы обеспечить достаточно плотный монтаж емкостных структур. На рисунке 3.28 представлены зависимость скорости понижения температуры в центре общего теплового буфера для разной частоты поданного сигнала и зависимость холодильной мощности прототипа ра 105 диального микроохладителя, работающего в качестве стабилизатора температуры на уровне 293 К, от частоты подаваемого сигнала.
Зависимость скорости понижения температуры общего буфера радиального микроохладителя от частоты подаваемого сигнала; (б) – зависимость холодильной мощности прототипа радиального микроохладителя, работающего в качестве стабилизатора температуры на уровне 293 К, от частоты подаваемого сигнала.
В настоящей главе были получены следующие основные результаты:
1. Показано, что выбор рабочей точки на нелинейной температурной зависимости поляризации сегнетоэлектрического образца, находящегося в неравновесных условиях, позволяет получить различные величины электрокалорического эффекта при поляризации и деполяризации сегнетоэлектрического материала
2. Разработан термодинамический цикл электрокалорического охлаждающего устройства, работающего без использования тепловых ключей.
3. Показано, что периодическая подача сигнала на электрокалорический элемент, находящийся в неравновесных условиях при заданной начальной температуре, приводит к эффекту понижения температуры на теплоизолированной границе образца.
4. Разработана математическая модель, описывающая процессы в электрокалорическом элементе, находящемся в неравновесных условиях при подаче периодического сигнала.
5. Разработана численная конечноэлементная модель, описывающая процесс охлаждения в распределенной охлаждающей линии, работающей без использования тепловых ключей.
6. Предложены методы усиления эффекта охлаждения в твердотельном охладителе, работающем без использования тепловых ключей.
7. Разработан прототип микроохладителя, работающий без использования тепловых ключей, на основе активных электрокалорических элементов на базе многослойных емкостных сегнетоэлектрических структур.
Настоящая диссертация посвящена актуальной теме – разработке твердотельных охлаждающих устройств на основе электрокалорического эффекта в се-гнетоэлектрических материалах и методам измерения быстропротекающих тепловых процессов в структурах с малой теплоёмкостью.
К основным результатам работы может быть отнесено следующее:
1. Показана возможность применения температурной зависимости намагниченности пленочного ферромагнитного сверхвысокочастотного резонатора для измерения малых изменений температуры.
2. Показано, что выбор рабочей точки на нелинейной температурной зависимости поляризации сегнетоэлектрического образца, находящегося в неравновесных условиях, позволяет получить различные величины электрокалорического эффекта при поляризации и деполяризации сегнетоэлектрического материала
3. Разработан термодинамический цикл электрокалорического охлаждающего устройства, работающего без использования тепловых ключей.
4. Показано, что периодическая подача сигнала на электрокалорический элемент, находящийся в неравновесных условиях при заданной начальной температуре, приводит к эффекту понижения температуры на теплоизолированной границе образца.
5. Выведено и аналитически решено уравнение теплопроводности с учетом электрокалорического эффекта для случая периодической подачи сигнала на се-гнетоэлектрический конденсатор, находящийся в неравновесных условиях
6. Разработана численная конечноэлементная модель, описывающая процесс охлаждения в распределенной охлаждающей линии, работающей без использования тепловых ключей.
7. Предложены методы усиления эффекта охлаждения в твердотельном охладителе, работающем без использования тепловых ключей.
8. Разработан прототип радиального электрокалорического микроохладителя, работающий без использования тепловых ключей, на основе активных электрокалорических элементов на базе многослойных емкостных сегнетоэлектриче-ских структур.
