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.