Получение холода при помощи «холодильного чипа»

В 1998 г. в США запатентован так называемый холодильный чип. В основе его работы лежит принцип термоионного охлаждения, опирающийся на два изобретения XVIII и XIX вв., на первый взгляд совершенно не связанные друг с другом. Первое изобретение — это холодильная машина Уильяма Каллена, производящая холод за счет откачивания паров воды. Второе изобретение — вакуумный диод. Вместо традиционного рабочего вещества в виде атомно-молекулярных жидкостей (хладонов) в термоионном охладителе в качестве хладагента выступает «электронный газ».

Катод и анод, разделенные вакуумной прослойкой, — это аналоги испарителя и конденсатора холодильной машины. Если к электродам приложить напряжение, то электроны, «испаряющиеся» из катода, начинают переносить теплоту от охлаждаемого тела к аноду и, таким образом, наблюдается эффект охлаждения. Ширина зазора между электродами должна быть меньше длины свободного пробега электрона. В этом случае электрон преодолевает барьер, не теряя энергию, что обеспечивает высокую интенсивность охлаждения.

Обычный вакуумный диод использовать для охлаждения нельзя. Расстояние между катодом и анодом здесь порядка тысяч микрон, и материалы, из которых сделаны электроды, переносить на такие расстояния поток электронов при комнатной температуре не в состоянии.

Современные достижения микроэлектроники позволяют создать микросхему, включающую как анод с катодом с минимальным зазором между ними (около одного микрона), так и внешнюю структуру охлаждающего устройства, обеспечивающую хороший тепловой контакт с объектом охлаждения. Это и есть cool chip — «холодильный кристалл», или, выражаясь компьютерным языком, «холодильный чип». Переход холодильной техники к таким кристаллам по своему значению сопоставим с переходом от ламповых транзисторов к интегральным микросхемам.

История термоионного охлаждения насчитывает всего несколько лет, но уже полна своего внутреннего драматизма. Впервые идея термоионного охлаждения была высказана в 1994 г. американским физиком профессором Д. Маханом. Раскрывая физический механизм данного явления, он пришел к выводу, что «такого не может быть, потому что такого не может быть никогда». В природе не существовало веществ, которые легко бы отдавали электроны при комнатных температурах. Однако в том же году пессимизм в отношении перспектив термоионного охлаждения пропал. На XIII международной конференции по термоэлектричеству речь зашла о получении полупроводниковых материалов с желаемой работой выхода. К настоящему времени группы исследователей в Европе, США и Японии уже получили композиции полупроводниковых материалов, работа выхода которых вполне приемлема для целей термоионного охлаждения. Число публикаций по этим исследованиям стремительно растет.

Своим собственным путем пошли английские исследователи, синтезируя органические микроциклические соединения с малой работой выхода.

Определенный вклад в исследования полупроводниковых материалов внесли и украинские ученые из Физико-химического института АН Украины, которые давно занимаются исследованием аналогичных веществ. Замешанная на экономической выгоде конкуренция двух названных направлений в получении материалов для термоионного охладителя придает дополнительную интригу и динамику исследованиям.

Конкретные технические детали и готовность отдельных этапов работ фирмами на настоящий момент не разглашаются по соображениям сохранения коммерческой тайны. Предполагалось, что промышленный образец термоионного охладителя может появиться в конце 2000 г. Согласно теоретическим оценкам, энергетическая эффективность этого типа охладителей ожидалась в 1,5-2,5 раза выше, чем у компрессионных систем.

Предполагается, что охлаждающее устройство (испаритель) домашнего холодильника объемом 200 дм³ на холодильных чипах должно состоять из 25 кристаллов, каждый из которых обеспечит холодопроизводительность около 3 Вт/см².

До настоящего времени привлекательная идея «холодильных чипов» не получила практической реализации, однако способ перспективен. Если появится возможность обеспечить посредством «холодильных чипов» высокую холодопроизводительность, можно предположить, что он найдет широкое практическое применение.