Поэтому актуальными становятся твердотельные принципы охлаждения [1].

В докладе рассматриваются физические принципы, существующие и перспективные области при­менения, а также производится сравнительная характеристика следующих методов получения искус­ственного холода:

•   Термоэлектрический, он основан на эффекте Пельтье. Экономически целесообразно применять термоэлектрическое охлаждение при сравнительно малых холодопроизводительностях, как правило, не более 100 Вт [2,3]. Исторически Россия занимает ведущее место в мире по исследованиям и разработкам в области термоэлектрического охлаждения [4].

•   Электрокалорический. Электрокалорический эффект состоит в увеличении температуры вещества при создании в нем электрического поля и соответствующего уменьшения температуры при выключении этого поля в адиабатических условиях.

•    Магнитокалорический. Магнитокалорический эффект — это аналог электрокалорического эф­фекта, но здесь для изменения температуры используется не электростатическое, а постоянное магнит­ное поле. Эффект состоит в изменении температуры пара- или ферромагнетика при адиабатическом изменении напряженности магнитного поля.

Все рассмотренные технологии охлаждения относят к твердотельным, так как в них не используются никакие газы или жидкости. Основным преимуществом всех этих методов является их экологическая чистота. Отметим также большую плотность твердого тела по сравнению с плотностью пара или газа, используемых в парокомпрессионных холодильниках. Изменение энтропии на единицу объема в твердых материалах в 6-8 раз выше, чем в газе [5], что позволяет резко сократить габариты систем при сохранении их холодопроизводительности. Рассмотренные методы получения искусственного холода могут осуществлять охлаждение в широком интервале температур как ниже, так и выше комнатной температуры [5].

Важное преимущество калорических методов охлаждения состоит в их высокой эффективности: это связано с тем, что нагрев и охлаждение являются практически обратимыми термодинамическими циклами в отличие от процессов сжатия и расширения пара в парокомпрессионных холодильниках. Так, в области комнатных температур калорические холодильные машины потенциально на 20-30 % эффективнее устройств, работающих по парогазовому циклу [5].

Твердотельные охладители, обладают и другими преимуществами: удобство и простота эксплуата­ции, не требуется сервисное обслуживание; бесшумность; независимость от ориентации в пространстве; легкость и удобство дистанционного управления; возможность использования гибридных систем, когда в одном технологическом цикле изготавливаются и охладитель и функциональная электронная схема.

Конечно, твердотельные холодильные машины имеют и недостатки, такие как технологическая сложность изготовления, поглощение и выделение тепла практически в одном объеме. Тем не менее, есть все предпосылки ожидать, что в обозримом будущем при использовании нанотехнологий твердо­тельные холодильные машины постепенно вытеснят традиционные холодильники сначала в системах термостабилизации элементов электроники, затем в быту и в промышленности.

В докладе более детально рассматриваются полученные с участием авторов оригинальные результаты по использованию нанотехнологий для увеличения эффективности термоэлектрических охладителей [6] и по организации термодинамического цикла в электрокалорическом охладителе. Обсудим последнее подробнее.

В настоящее время в связи с успешным решением материаловедческих и технологических задач для электрокалорических и магнетокалорических охладителей остро встает вопрос разработки принципи­альных схем для эффективных охладителей и создания экспериментальных образцов.

Как уже отмечалось, основной проблемой при создании охладителей является организация термо­динамического цикла. В адиабатических условиях итоговое изменение температуры при наложении и

снятии электрического поля в электрокалорической системе равно нулю. Следовательно, нужно реа­лизовать неадиабатические процессы. Адиабатичность будет нарушаться, например, если использовать тепловые ключи или учесть теплообмен с окружающей средой и неоднородность распределения тем­пературы в образце [7-10]. Для материала BaSrTiO₃ (BST) был проведен численный расчет [9,10] для электрокалорического элемента с неоднородными граничными условиями. Эти расчеты показали, что после проведения 1000 циклов переключений система переходит в установившийся температурный режим, когда температура колеблется около своего нового среднего значения, меньшего исходного на 20 К.

В опубликованных нами работах [11, 12] используется дополнительная зависимость поляризации от вспомогательного параметра, в качестве которого может выступать или магнитное поле (магнито­электрический эффект), или механическое напряжение. На предварительно сжатый образец подается электрическое поле, и он адиабатически нагревается. На втором этапе внешнее давление изотермически уменьшается до нуля. На третьем — электрическое поле снимается, на четвертом — образец изотер­мически сжимается. Таким образом, при согласованном изменении электрического поля и внешнего давления, как показали наши расчеты, можно добиться увеличения электрокалорического эффекта в 5-10 раз. Аналогичным образом можно использовать давление для воздействия на магнетокалориче- ский эффект.

На наш взгляд, наиболее перспективным является использование мультиферроиков — новых мате­риалов, у которых магнитные свойства управляются воздействием электрического поля, а электрические свойства — воздействием магнитного поля. Для мультиферроиков, магнетокалорический эффект зависит не только от основных параметров (температуры и напряженности), но и от приложенного электриче­ского поля. Таким образом, использование параметрического воздействия для усиления калорических эффектов в твердотельных охладителях представляется нам одним из наиболее важных и перспективных направлений исследования.

1.  Булат Л. П. Холодильный бизнес. № 8, 2008. С. 10-17.

2.   Булат Л. П., Ведерников М. В., Вялов А. П. и др. Термоэлектрическое охлаждение: текст лекций. Под ред. Л. П. Булата. СПб., СПбГУНиПТ, 2002. 147 с.

3.  Булат Л. П., Федоров М. И. Холодильная техника, 2009. № 7. C. 34-37.

4.   Bulat L. P., Iordanishvily E. K., Pustovalov A. A., Fedorov M. I. Thermoelectricity in Russia: history and modern state. Journal of Thermoelectricity. № 4, 2009. P. 7-31.

5.   Флеров И. Н. Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемператур­ных и пищевых технологий. 2008. № 1. C. 41-63.

6.  Булат Л. П. Холодильная техника, 2010. № 2. C. 24-25.

7.   Tishin A. M, Spichkin Y. J. The Magnetocaloric Effect and its Applications. IOP Publishing Ltd., Bristol, UK, 2003.

8.  Synyavsky Y. V., Brodyansky V. M. // Ferroelectrics. 1992. V. 131. P. 321.

9.  Karmanenko S. F, Pakhomov O. V., PrudanA. M, StarkovA. S., Es'kovA. V. //J. Europ. Ceramic Society. 2007. V. 27. P. 310920.

10.  KhodayariA., MohammadiS. //IEEETrans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2011. V. 58 (3). P. 503.

11.   Starkov A., Pakhomov O, Starkov I. Solid-State Cooler — New Opportunities; Poster: 12th European Meeting on Ferroelectricity, Bordeaux, France; 2011-06-26 — 2011-07-01.

12.    Старков А. С., Пахомов О. В., Старков И. А. Параметрическое усиление электрокалорического эффекта при периодическом изменении электрического поля // Письма в Журнал Технической физики, 2011. Т. 37. Вып. 23. С. 125-131.