автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Твердотельные охлаждающие устройства на основе электрокалорического эффекта в сегнетоэлектрических материалах

На правах рукописи

Еськов Андрей Владимирович

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОКАЛОРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 6 ИАР 2014

005545678

005545678

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ), на кафедре физической электроники и технологии

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Семенов Александр Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Булат Лев Петрович, заведующий кафедрой электротехники и электроники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург;

кандидат физико-математических наук Сошников Илья Петрович, старший научный сотрудник Физико-Технического Института имени А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург.

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Радар ММС»

Защита состоится «24» апреля 2014 г. в __часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « /л февраля 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь совета Д 212.238.04 по защите докторских и кандидатских диссертаций, доктор физико-математических наук, профессор

В.А. Мошников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 современною 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 элекгрокалорических 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:

1. Предложен принцип охлаждения активного электрокалорического элемента, основанный на нелинейности температурной зависимости поляризации сегнетоэлектри-ческого материала и выборе рабочей точки.

2. Предложен принцип реализации твердотельного охладителя посредством подачи периодического сигнала на активный электрокалорический элемент, находящийся в неравновесных тепловых условиях.

3. Разработана математическая модель, описывающая процессы в электрокалорическом элементе, находящемся в неравновесных тепловых условиях при подаче периодического сигнала.

4. Разработана численная конечноэлементная модель, описывающая процесс охлаждения в распределенной охлаждающей линии, работающей без использования тепловых ключей.

5. Разработан метод измерений величины электрокалорического эффекта с использованием температурной зависимости резонансной частоты пленочного СВЧ ферромагнитного резонатора.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. 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.

2. 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. Периодическая подача сигнала на электрокалорический элемент, находящийся в неравновесных тепловых условиях при заданной начальной температуре, приводит к эффекту понижения температуры на теплоизолированной границе образца.

4. 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:

1. Предложен принцип и термодинамический цикл работы элекгрокалорического охладителя без использования тепловых ключей.

2. Разработаны математическая и численная модели, описывающие основные параметры электрокалорического охладителя без использования тепловых ключей.

3. Разработан прототип микроохладителя, работающий без использования тепловых ключей, на основе активных электрокалорических элементов на базе многослойных емкостных сегнетоэлектрических структур.

4. 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 сегнетоэлекгриков (BKC-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 сегнетоэлекгриков (BKC-XIX), 20 - 23 июня 2011, Москва, Россия;

• Всероссийской научно-технической конференции «Микроэлектроника СВЧ», 4 -7 июня 2012, Санкт-Петербург, Россия;

• 10,h International Workshop on Subsecond Thermophysics, 26-28 June 2013, Karlsruhe, Germany.

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, научная и практическая ценность полученных результатов, а также научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава имеет обзорный характер. В ней кратко рассмотрены физические основы электрокалорического эффекта, сделан обзор перспективных электрокалорических материалов и возможных прототипов охлаждающих устройств на основе электрокалорического эффекта.

В первом параграфе дается понятие электрокалорического эффекта в диэлектриках. Приводится вывод основных формул для электрокалорического эффекта на основе стандартных термодинамических соотношений.

Во втором параграфе рассматриваются перспективные электрокалорические материалы на основе сегнетоэлектриков-релаксоров. Приводится обзор исследований электрокалорического отклика для твердых растворов магнониобата свинца-титаната свинца и титаната бария-стронция и органических полимерных сегнетоэлетриков на основе поливинилиденфторвда-трифторэтилена.

В третьем параграфе делается обзор наиболее удачных попыток реализации прототипов твердотельных охлаждающих устройств на основе электрокалорического эффекта с использованием тепловых ключей.

В заключении главы делаются выводы по проведенному литературному обзору и формулируются задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена методам исследования электрокалорического эффекта в сегнетоэлектрических материалах.

В первом параграфе рассматриваются классические методы измерения электрокалорического эффекта в объемных и многослойных структурах с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии, термопарными и терморезистивными методами. В работе были проведены исследования электрокалорических характеристик многослойных емкостных структур в районе комнатной температуры. Исследовались керамические чип-конденсаторы на основе легированного титаната бария размером 3.2x2.5x1.7 мм. Электрокалорические характеристики конденсаторов были сняты с использование термопары с диаметром спая 50 мкм, подключенной к нановольтметру. Сигнал, подаваемый на конденсаторы, представлял собой прямоугольные импульсы напряжения различной амплитуды. Длительность фронта заряда (разряда) конденсатора составляла 30 мс. На рис. 1 приведены осциллограммы электрокалорического изменения температуры конденсатора емкостью 46мкФ при подаче и снятии напряжения раз-

личной амплитуды. На рис. 2 представлена зависимость величины электрокалорического эффекта от приложенного напряжения для конденсатора емкостью 46 мкФ.

ЩуУШ

293,425 293,400 293,375 293,350 И 293,325 < 293,300 293,275 293,250 293,225

и ю ш зи г, сек

Рис. 1.

Во втором параграфе рассмотрены методы прямого и косвенного исследования электрокалорического эффекта в пленках и структурах с малой теплоемкостью. Описываются непрямые методы измерения электрокалорического эффекта посредством анализа температурных зависимостей поляризации сегнетоэлектрических материалов и прямой метод измерения изменения температуры с помощью терморезистивного мостика формируемого между подложкой и пленочным образцом. Приводятся основные преимущества и недостатки данных методов. Делается вывод о необходимости разработки нового доступного метода экспресс анализа малых температурных изменений в структурах с малой теплоемкостью.

В третьем параграфе предлагается новый оригинальный метод измерения величины электрокалорического эффекта с помощью СВЧ пленочного ферромагнитного резонатора. В основу метода положено то, что намагниченность насыщения ферромагнетика Мо имеет сильную температурную зависимость, которая может применяться для температурных измерений. При формировании на основе такого материала СВЧ пленочного ферромагнитного резонатора его резонансная частота также будет зависеть от температуры. На рис. 3 показана температурная зависимость намагниченности насыщения для железо-иттриевого граната (ЖИГ). На рис. 4 представлена температурная калибровка резонансной частоты СВЧ пленочного ферромагнитного резонатора на ЖИГ. Для исследования динамики электрокалорического эффекта в качестве рабочего образца в наших экспериментах использовался плоский керамический сегнетоэлектри-

100 200 300 400 500 600

г, к

270 280 290 300 310 320 330

т, к

ческий конденсатор из керамики магнониобата свинца - титаната свинца. Образец представлял собой спеченный диск диаметром 10 мм и толщиной 1 мм. Температура Кюри материала 0.87PMN-0.13PT составляла 48 °С. Схема измерительной установки показана на рис. 5. Касательно намагниченный ферромагнитный резонатор возбуждается с помощью короткозамкнутой микрополосковой антенны. Резонатор был вырезан из эпитаксиальной пленки железо-иттриевого граната толщиной 10 мкм, выращенной на подложке гадоли-ний-галлиевого граната толщиной 300 мкм. Размеры резонатора в плоскости составляли 3x3 мм. К резонатору со стороны пленки ЖИГ прикладывается исследуемый сегнетоконденсатор, к обкладкам которого подключен генератор высоковольтных импульсов. Измерительный макет помещается в термостат, его абсолютная температура регистрируется с помощью термопары константан-манганин. Внешнее магнитное поле в области измерительного макета создается с помощью постоянного самарий-кобальтового магнита. Отраженный от измерительного резонатора СВЧ сигнал посредством циркулятора подается на направленный ответвитель, часть сигнала поступает на второй порт анализатора цепей, а другая на детектор осциллографа, синхронизированного с генератором высоковольтных импульсов. Резонансная характеристика ферромагнитного резонатора регистрируется с помощью анализатора цепей. Временные изменения температуры при периодическом воздействии электрического поля (зарядке -разрядке конденсатора) регистрируются осциллографом. На рис. 6 показаны результаты измерений резонансных кривых при изменении температуры сегнетоконденсатора. Представленные кривые были сняты с помощью векторного анализатора цепей Rohde & Schwarz ZVA-40. Измерения были проведены в при температуре 27 °С; при этом время развертки анализатора цепей составляло 2 сек. На рис. 7 показана температурная зависимость электрокалорического отклика сегнетоэлектрического образца снятая описанным выше методом. На основании вышеизложенного материала сформулировано первое научное положение, выносимое на защиту.

\ Mll.l lURCl II.TMC I р j

Генератор ВЫСОН'ОВО.'П.ГНЫХ импульсов

ш

jff

Анализатор цепей

1

Термостат

Осциллограф

Рис. 5.

Третья глава посвящена: разработке принципа охлаждения на основе электрокалорического эффекта без использования тепловых ключей, разработке термодинамического цикла работы охлаждающего устройства, разработке математической и численной модели твердотельного электрокалорического охладителя, работающего без использования тепловых ключей, а также разработке прототипа твердотельного микроохладителя на основе электрокалорического эффекта, работающего без использования тепловых ключей и теплового сброса.

В первом параграфе рассмотрен электрокалорический отклик сегнетоэлектриче-ского конденсатора, находящегося в неравновесных условиях, на одиночный прямоугольный импульс напряжения (рис. 8). В начальный момент времени конденсатор находится при температуре Т0 в термическом контакте с окружающей средой, имеющей такую же температуру. В момент времени г/ происходит поляризация конденсатора и изменение его температуры от То до Г; вследствие электрокалорического эффекта. В промежуток времени от ?/ до ¡г происходит релаксация температуры конденсатора за счет теплообмена с окружающей средой. Время изменение напряженности поля в образце от Е] до Е2 и от Ег до Е/ много меньше времени тепловой релаксации. В момент времени происходит деполяризация сегнетоэлектрического конденсатора и понижение его температуры ниже То- В промежуток времени от 12 до 1з происходит релаксация температуры конденсатора до начальной за счет теплообмена с окружающей средой. Из рис. 9 видно, что в результате нелинейности зависимости поляризации сегнетоэлектри-ка от температуры величина электрокалорического эффекта при поляризации не равна величине электрокалорического эффекта при деполяризации сегнетоэлектрического конденсатора и что эти величины зависят от выбора начальной температуры конденсатора.

^^поляриз. = 1Ег ; <47*деполяриз. = — Ь

т

Е, -

е,

Щ

г,

'< ¡»1 <3 Д ^поляризации

' деполяризации

Рис. 8.

дР\

ат)Е

г Т2Г0Г,

--ч

\ рг у^ -> поляризация ' <— деполяризация

Рис. 9.

При выборе начальной температуры правее абсолютного значения максимума первой производной поляризации по температуре для данного сегнетоэлектрика возможно создать условие, при котором электрокалорическое изменение температуры при деполя-

ризации будет больше, чем электрокалорическое изменение температуры при поляризации. Соответственно, при выполнении описанных условий количество тепла, поглощенное конденсатором при разряде, будет больше количества тепла, выделенного при заряде конденсатора. На основе описанного выше свойства неравенства величин электрокалорического эффекта при поляризации и деполяризации было сформулировано второе научное положение. На рис. 10 представлены температурные зависимости первой производной поляризации по температуре при разных напряженностях электрического поля для сегнетоэлектрической керамики 0.87РМЫ-0.13РТ. На рис. 11 представлены температурные зависимости величины электрокалорического эффекта при поляризации и деполяризации сегнетоэлектрического конденсатора, полученные методом численного инте1рирования с использованием формулы (3).

250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 Г, К

Рис. 10.

250 260 270 280 290 300 310 320 330

Г, К

Рис. 11.

Основываясь на эффекте разницы величин электрокалорического эффекта при поляризации и деполяризации сегнетоэлектрического материала при выборе рабочей точки на нелинейной температурной зависимости поляризации сегнетоэлектрического образца, находящегося в неравновесных условиях, в данной работе предлагается термодинамический цикл и способ построения электрокалорического твердотельного охлаждающего устройства, работающего без использования тепловых ключей. Возьмем сегнетоэлек-трический конденсатор, имеющий тепловую связь с тепловым буфером ограниченной емкости (рис. 12). В начальный момент времени ¡о конденсатор и тепловой буфер находятся при начальной температуре То. Рассмотрим температурный режим сегнетоэлектрического конденсатора при приложении последовательности импульсов, представленной на рис. 13. В период времени (1) происходит поляризация сегнетоэлектрического конденсатора и его электрокалорический нагрев. В период времени (2) осуществляется тепловой обмен между конденсатором и буфером при условии поддержания по-

ты

у

стоянной напряженности поля на сегнетоэлектрическом конденсаторе. В результате теплообмена температура конденсатора понижается. В момент времени (3) происходит деполяризация конденсатора и его температура опускается ниже температуры теплового буфера. В момент времени (4) происходит возврат тепла из буфера в сегнетоэлек-трический конденсатор. Благодаря эффекту разницы величин электрокалорического эффекта при поляризации и деполяризации сегнетоэлектрического материала при выборе рабочей точки, итоговая температура конденсатора в момент времени и оказывается ниже начальной. В дальнейшем цикл повторяется. На рис. 14 представлена Г-5 диаграмма рабочего цикла электрокалорического охладителя, состоящего из нелинейного сегнетоэлектрического конденсатора, находящегося в тепловой связи с буфером

ограниченной емкости при подаче периодиче-Д7"П0ПЧ, ского сигнала. Периоды работы, обозначенные цифрами, соответствуют периодам подачи сигнала на рис. 13.

Во втором параграфе рассматривается математическая модель электрокалорического отклика сегнетоэлектрического конденсатора на воздействие периодического электрического поля. В начале параграфа на основе стандартных выражений приводится вывод уравнения теплопроводности для среды с учетом электрокалорического эффекта:

(4)

Далее рассматривается аналитическое решение уравнения (4) для модели, представленной на рис. 15. На сегнетоэлектрический конденсатор длиной I подается периодический сигнал Е(0=Еоз1п(йХ). В точке х=0 конденсатор теплоизолирован, а в точке х=1 поддерживается постоянная температура, равная начальной. Для упрощения аналитического решения уравнения (4) была проведена линеаризация первой производной поляризации по температуре (рис. 16). В итоге зависимость температуры Т от координаты * и

Рис. 14.

сигнал Е(Ц ¿Л

электроды

Рис. 15.

времени I определяется уравнением:

[Уо+УгСГ-ТЖЕ) со следующими граничными и начальными условиями:

г дТ , дгТ

= Г0,

дх\

= О, Т\х=1 = Г0.

(5)

(6)

В результате аналитического решения уравнения (5) с начальными и граничными условиями (6) было получено выражение для независящей от времени составляющей температуры при больших временах:

ад =

2 Уо Уг

х+с05

гшр£Е я х

„ _ ГгЕ'б 2 рСЕ'

(7)

где г = (8)

2РсЕ 4 ;

Из выражения (7) следует, что при подаче периодического сигнала на конденсатор, находящийся в неравновесных тепловых условиях, при правильном выборе рабочей точки для материала конденсатора температура теплоизолированного конца опускается ниже начальной. На рис. 17 представлено распределение постоянной составляющей температуры в установившимся режиме от координаты для частоты сигнала 2 Гц при длине конденсатора 1Л(, где ЛЕ = ^/Я/(рСЕ) - характерная тепловая длина материала. На рис. 18 приведены зависимости понижения температуры теплоизолированного конца конденсатора от частоты для различных длин элемента кратных тепловой длине для данного сегнетоэлектрического материала. На основании вышеизложенного материала сформулировано третье научное положение.

0,00

40,0 60,0 %К,

Рис. 17.

80,0 100,0

Рис. 18.

В третьем параграфе проведено численное моделирование твердотельной электрокалорической охлаждающей линии с одним и двумя активными электрокалорическими элементами. В первом случае рассмотрена простая одномерная модель охлаждающей линии, изображенная на рис. 19. Модель состоит из одного ЭК элемента, отделенного от окружающей среды теплопроводящими слоями [О-*!] и [х2-£]. Одна граница (х-0) является теплоизолированной, а на другой (х=Ь) поддерживается постоянная температура То, которая принимается в качестве начальной. В представленном моделировании рассмотрена способность охладителя понизить температуру на теплоизолированном конце при наличии обратного теплового потока через границу Считаем, что теплоемкость С, плотность р и теплопроводность Я постоянны в пределах всей линии. Тогда распределение температуры Т(х,С) является решением уравнения теплопроводности (5) с ло-

1мм 1мм 1мм

кальным электрокалорическим элементом:

Срус = Мш(дгасХТ)) + Р(х, г, Т). (9)

Это уравнение удовлетворяет начальному и граничным условиям:

7-1.-0 = Г„, -я£|^=о = 0, Т\Х=1 = Т0. (10)

Приведенные в параграфе результаты демонстрируют возможности численного моделирования твердотельного охладителя, работающего без использования тепловых ключей, дают представление о процессах, происходящих в охлаждающей линии и позволяют выявить механизмы оптимизации охладителя для повышения холодопроизводитель-ности устройства. На рис. 20 показано понижение температуры термоизолированного конца охладителя (х-0) при разных рабочих частотах электрокалорического элемента, полученное в результате численного решения уравнениям (9) методом конечных элементов. На графиках хорошо видно, что после подачи некоторого количества импульсов отрицательный тепловой поток, генерируемый охладителем, уравновешивается тепловым потоком из внешней среды и система переходит в установившийся режим работы. При увеличении частоты сигнала происходит увеличении температурного перепада между противоположными концами охладителя. Но, вместе с тем, с увеличением частоты увеличивается время выхода в установившийся режим и уменьшается отношения единицы падения температуры к 1 Гц поданного сигнала (ЛТ//). Из последнего замечания следует, что при дальнейшем увеличении частоты сигнала произойдет насыщение зависимости холодопроизводительности модели от частоты. На рис. 21 показана частотная зависимость понижения температуры относительно начальной, рассчитанная в точке х=0, и зависимость плотности теплового потока от частоты для точки х=0.

В дальнейшем в параграфе рассмотрена одномерная модель твердотельной рас-

пределенной охлаждающей линии с двумя активными электрокалорическими элементами (рис. 22). Начальные и граничные условия для данного случая соответствуют формуле (10). На рис. 23 показано понижение темпера-

1мм 1мм 1мм 1мм 1мм

туры термоизолированного конца охладителя (х=0) при разных рабочих частотах электрокалорического элемента для распределенной модели с двумя активными элементами. На рис. 24 показана частотная зависимость понижения температуры относительно начальной в точке х=0 и зависимость плотности теплового потока от частоты для рас-

Рис. 23. Рис. 24.

пределенной модели с двумя активными элементами. Из представленных зависимостей видно, что увеличение количества активных элементов приводит к увеличению холодо-производительности распределенной охлаждающей линии.

Дня увеличения холодопроизводительности распределённой охлаждающей линии было предложено использовать материалы активных электрокалорических элементов, обеспечивающих сдвиг температуры фазового перехода относительно первого элемента. На рис. 25 представлен пример соотношения поляризационных характеристик материалов разных электрокалорических элементов в одной охлаждающей линии. На рис. 26 приведена временная зависимость понижения температуры в двухэлементной линии в точке х=0 для разных сдвигов температуры фазового перехода материалов электрокалорических элементов при частоте поданного сигнала равной 5 Гц. На рис. 27 приведена зависимость понижения температуры относительно ее начального значения в точке х=0, а также зависимость плотности мощности от сдвига температуры фазового перехода между элементами. На ос-

Рис. 25.

новании представленных данных сформулировано четвертое научное положение.

В четвертом параграфе проведено моделирование прототипа твердотельной охлаждающей линии на основе многослойных емкостных структур (рис. 28). Так как разрабатываемый охладитель работает не по принципу теплового насоса, а на принципе преобразования тепловой энергии, то для прототипирования используется адиабатическое приближение. Наиболее приемлемым для реализации прототипа является применение в качестве активных электрокалорических элементов многослойных емкостных структур, созданных по технологии высокотемпературной совместноспе-ченной керамики. Периодический сигнал на электрокалорические элементы подается со сдвигом фазы на полпериода, что обеспечивает минимизацию колебаний температуры относительно средней за счет складывания температурных волн, генерируемых электрокалорическими элементами в точке, находящейся в середине общего теплового буфера. На рис. 29 представлено понижение температуры в точке Ь/2 для разной частоты сигнала на электрокалорических элементах. На рис. 30 представлена зависимость плотности мощности одномерной модели прототипа охладителя от частоты сигнала на электрокалорических элементах. Следует отметить, что подобных величин плотности мощности можно достичь при использовании элементов, выпускаемых современной промышленностью для радиотехнических применений. При использовании элементов, специально разработанных для целей твердотельного электрокалорического охлаждения, величины эффекта будут гораздо выше.

Рис. 28.

Рис. 29. Рис. 30.

В пятом параграфе приводятся примеры экспериментальных подтверждений эффекта охлаждения при подаче периодического сигнала на электрокалорический элемент, находящийся в неравновесных условиях, выполненных сторонними авторами на основе публикаций, опубликованных автором диссертации.

В шестом параграфе описывается прототип радиального электрокалорического микроохладителя без использования тепловых ключей и теплового сброса. В качестве активных электрокалорических элементов выбраны сегнетоэлектрические чип-конденсаторы размером 3.2x2.5x1.7 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. Другая обкладка каждого конденсатора граничит с собственным тепловым буфером; через нее же подается управляющий сигнал. Сигнал на противоположные элементы подается со сдвигом по фазе на полпериода. На рис. 31 (а) представлен общий вид прототипа, а на рис. 31(6) изображена схема подключения активных электрокалорических элементов прототипа. На рис. 32 представлена зависимость холодильной мощности прототипа радиального электрокалорического микроохладителя, работающего в качестве стабилизатора температуры на уровне 293 К, от частоты подаваемого сигнала.

Рис. 31. Рис. 32.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в рамках диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

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 сегнегоэлектрического 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 тепловых 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 сегнетоэлек-трический 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 и теплового сброса, на основе активных электрокалорических элементов на базе многослойных емкостных сегнетоэлекгриче-ских структур.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Карманенко С.Ф. (Karmanenko S.F.) Layered ceramic structure based on the electro-caloric elements working as a solid state cooling line (Слоистая керамическая структура на основе электрокалорических элементов, работающая как твердотельная охлаждающая линия) / S.F. Karmanenko, O.V. Pakhomov, A.M. Prudan, A.S. Starkov, A.V. Eskov // Journal of the European Ceramic Society. —2007. —Vol. 27. — P. 3109-3112.

2. Пахомов O.B. Математическое моделирование динамики тепловых процессов в системах с магнито- и электрокалорическими эффектами / О.В. Пахомов, A.C. Старков, С.Ф. Карманенко, A.B. Еськов // Вестник Международной академии холода. —2007. —Н. 2. — С. 31-34.

3. Еськов A.B. Исследование и расчет тепловых преобразователей и охлаждающих элементов на основе сегнетоэлектрических материалов / A.B. Еськов, О.В. Пахомов, С.Ф. Карманенко // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. —2008. — Вып. 3. —С. 61-66.

4. Еськов A.B. Моделирование твердотельного охладителя с электрокалорическими элементами / А.В Еськов., С.Ф. Карманенко, О.В. Пахомов, A.C. Старков // Физика твердого тела. — 2009. — Т. 51, Вып. 8. —С. 1483-1486.

5. Старков A.C. Электрокалорический отклик сегнетоэлектрика на воздействие периодического электрического поля / A.C. Старков, С.Ф. Карманенко, О.В. Пахомов, A.B. Еськов, Д. Семикин, J. Hagberg // Физика твердого тела. — 2009. — Т. 51, Вып. 7. —С. 1422-1426.

6. Пахомов О.В. Термодинамическая оценка эффективности охлаждения посредством электрокалорической твердотельной линии / О.В. Пахомов, С.Ф. Карманенко, A.A. Семенов, A.C. Старков, A.B. Еськов // Журнал технической физики. — 2010 Т. 80, Вып. 8. — С. 80-85.

7. Семенов A.A. Исследование динамики электрокалорического отклика в сегнето-элекгриках с применением ферромагнитного резонатора / A.A. Семенов, О.В. Пахомов, П.Ю. Белявский, A.B. Еськов, С.Ф. Карманенко, A.A. Никитин // Журнал технической физики. —2012 .— Т. 82, Вып. 1. — С. 59-62.

Монографии:

8. Electrocaloric Materials: New Generation of Coolers (Электрокалорические материалы: Новое поколение охладителей) / Eds.: Correia Т., Zhang Q. — Series: Engineering Materials, Vol. 34. —Springer, 2014. —304p. — ISBN 978-3-642-40264-7.

Другие статьи и материалы конференций:

9. Еськов A.B. Электрокалорический отклик на воздействие периодического электрического поля в охлаждающей керамической структуре / A.B. Еськов, О.В. Па-хомов, A.C. Старков, С.Ф. Карманенко // Материалы Международной научно-технической школы-конференции "Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике" (МИРЭА). — 2006. —Ч. 2. —С. 7276.

10. Еськов A.B. Разработка топологии твердотельного пленарного охладителя на основе сегнетоэлектрических материалов / A.B. Еськов, О.В. Пахомов, A.A. Никитин // Материалы международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC-2007). — 2007. —Т. 7. — Н. 1. —С. 148-152.

11. Старков A.C. Анализ изменения температуры рабочего тела в охладителях, использующих электрокалорический эффект / A.C. Старков, О.В. Пахомов, С.Ф. Карманенко, A.B. Еськов, Д.А. Семикин // Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. — 2008. —Н. 1. — С. 70-74.

12. Пахомов О.В. Анализ преобразования тепловой энергии в тепловом поляризационном цикле сегнетоэлектрика / О.В. Пахомов, A.C. Старков, С.Ф. Карманенко, Д.А. Семикин, A.B. Еськов // Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. — 2008. —Н. 3. — С. 17-19.

13. Семенов A.A. Метод измерений малых изменений температуры с помощью пленочного ферромагнитного резонатора / A.A. Семенов, С.Ф. Карманенко, A.B. Еськов, О.В. Пахомов, A.C. Старков // Материалы международной научно-технической конференции "Современные методы и средства исследований теп-лофизических свойств веществ". —2010. —С. 83.

14. Старков A.C. Моделирование тонких сегнетоэлектрических пленок и многослойных структур на их основе. / A.C. Старков, И.А. Старков, О.В. Пахомов, A.B. Еськов, С.Ф. Карманенко // Материалы всероссийской конференции по физике сегне-тоэлектриков BKC-XIX. — 2011. — С. 152.

15. Семенов A.A. Охлаждение слоистой сегнетоэлектрической структуры под действием периодического электрического поля / A.A. Семенов, О.В. Пахомов, A.C. Старков, А.И. Дедык, П.Ю. Белявский, A.A. Никитин, A.B. Еськов // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Микроэлектроника СВЧ». — 2012. —С. 32-35.

Подписано в печать 17.02.2014. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 2/0214. П. л. 1.00. Уч.-изд. л. 1.00. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервис» Адрес: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 3. тел.: (812) 327 5098

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

¿с

На правах

04201457352

Еськов Андрей Владимирович

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОКАЛОРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -к. ф.-м. н. Семенов A.A.

Санкт-Петербург - 2014

Список сокращений...................................................................................................4

Введение.......................................................................................................................5

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

3.3. Численное моделирование твердотельной электрокалорической охлждающей линии с одним и двумя активными элементами...........................87

3.3.1. Основные подходы к моделированию и оптимизации твердотельной охлагвдающей линии.........................................................................87

3.3.2. Моделирование твердотельной охлаждающей линии на основе многослойных емкостных структур..........................................................................94

3.4. Экспериментальное подтверждение эффекта охлаждения при подачи периодического сигнала на электрокалорический элемент, находящийся в неравновесных условиях, выполненное сторонними авторами.........................98

3.5. Радиальный электрокалорический микроохладитель без тепловых ключей и теплового сброса, вычислительная модель и прототип...................104

Заключение..............................................................................................................108

Список литературы................................................................................................110

Список опубликованных работ по теме диссертации.....................................118

Список сокращений

СЭ - сегнетоэлектрик

ЭКЭ - электрокалорический эффект

ЭК - электрокалорический

МКЭ - магнетокалорический эффект

ЦТС - цирконат-титанат свинца

ТГС - триглицинсульфат

БСТ - титанах бария-стронция

СЭП - сегнетоэлектрическая пленка

МФ - мультиферроик

США - Соединенные Штаты Америки

ДСК - дифференциальный сканирующий калориметр

ЖИГ - железо-иттриевый гранат.

Введение

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 области криогенных температур чрезвычайно актуально для современного общества. В настоящее время существует ряд серьезных претензий к ныне действующим охлаждающим системам. Для охлаждения и термостатирования в области комнатных температур наиболее широкое распространение получили парожид-костные компрессионные системы. Классические схемы парожидкостного охлаждения с использованием компрессионных систем не отвечают современным требованиям в связи с микроминиатюризацией, увеличением мощности и постоянным возрастанием плотности компоновки компонентов в электронных устройствах сбора, хранения, обработки и передачи информации.

Наиболее перспективные технологии охлаждения и термостатирования основаны на твердотельных эффектах и явлениях. Термоэлектрические преобразователи (элементы и модули Пельтье) являются основой наиболее распространенной альтернативной технологии охлаждения и термостатирования. Термоэлектрические охладители основаны на соединении двух разнородных элементов с р- и п-типом проводимости. Однако из-за невысокого холодильного коэффициента экономически целесообразно применять термоэлектрическое охлаждение при сравнительно малых значениях холодопроизводительности, как правило, не более 100 Вт. К недостаткам термоэлектрических охладителей следует отнести их сравнительно высокую стоимость. Также, необходимость эффективного отвода большого количества тепла с горячего спая и большие токи, потребляемые термоэлектрическими компонентами, ограничивают применение модулей Пельтье в замкнутых системах, изолированных от окружающей среды и накладывают серьёзные ограничения на их массогабаритные характеристики.

Среди разнообразных альтернативных технологий трансформаторов тепла, наибольший интерес исследователей и разработчиков во всем мире привлекают возможности использования электрических и магнитных эффектов в твердотельных структурах. Интенсивные работы, посвященные электро- и магнетокалориче-сим охладителям, ведутся во многих лабораториях и университетах Европы, США, Китая и России. Главное преимущество трансформаторов тепла основанных на использовании электрических или магнитных полей связано с высокой плотностью твердого тела по сравнению с плотностью пара или газа. Так как в данной конструкции в качестве хладагента используется само твердое тело, изменение энтропии на единицу объема в твердых материалах примерно в 7 раз выше, чем в газе, что позволяет изготавливать малогабаритные теплопреобразующие устройства. Такой теплопреобразователь экологически безопасен и экономичен. Широкое внедрение твердотельных охладителей в технические, промышленные и бытовые системы и устройства способно оказать сильное воздействие на энергетические потребности и экологическое состояние современного общества.

В данной работе делается попытка заложить новые принципы охлаждения и термостатирования с использованием активных электрокалорических элементов на основе сегнетоэлектрических материалов.

Классическое определение электрокалорического эффекта формулируется следующим образом: электрокалорический эффект заключается в изменении энтропии системы при помещении ее в электрическое поле [1]. Для системы, находящейся в адиабатных условиях, изменение напряженности электрического поля, вследствие электрокалорического эффекта, приводит к изменению температуры системы. Наиболее ярко электрокалорический эффект проявляется в сегнетоэлектрических материалах, из-за резкой нелинейной зависимости поляризации от температуры вблизи фазового перехода. Впервые экспериментально электрокалорический эффект наблюдался Кобеко и Курчатовым (1930) [2] на кристаллах сегне-товой соли. В дальнейшем проводились исследования ЭКЭ на кристаллах тригли-цинсульфата Б.А. Струковым (1966г.) [3 - 4], кристаллах триглицинселената Б.А Струковым (1968) и М. Ремойснет (1968) [5 - 6], на поликристаллическом титана-

6

те бария (1961) [7], титанате стронция (1961-1964) [8-9]. Но, в силу незначительности эффекта (изменение температуры не превышало 0.1 К) в данных материалах и недостаточного развития пленочных технологий (сложность создания в толстых керамических и монокристаллических образцах напряженности электрического поля порядка нескольких вольт на микрон), эффект не нашел практического применения. Из недавно опубликованных отчетов Национального космического агентства США (НАСА) видно, что НАСА вела активные разработки в период 1964-1967гг. в области исследования и применения электрокалорического эффекта для космических и военных применений. Работы проводились на базе университета Канзаса под руководством Г. Вайсмана. Данные отчеты охватывают широкий класс материалов и представляют собой довольно обширные исследования по тематике, 7 томов по 30-40 страниц каждый [9]. Были ли полученные данные использованы для каких-либо приборных применений, не уточняется. По всей видимости, инженеры НАСА столкнулись с теми же проблемами, что и другие исследователи ЭК эффекта. На волне интереса к электрокалорическому эффекту в 1960х годах были попытки, на основе титаната стронция, создать криорефрижера-тор для получения низких температур путем адиабатической деполяризации. Но, в силу убывания ЭК эффекта в титанате стронция при приближении к температуре жидкого гелия [10] данное направление не смогло составить конкуренции криоохладителям на основе магнетокалорического эффекта. Магнетокалориче-ский эффект схож по своей природе с электрокалорическим и заключается в изменении температуры магнетика при изменении напряженности магнитного поля. На установках, работающих по принципу адиабатического размагничивания к концу 1970х годов, удалось получить температуры около 0.001К. С этого же времени стали вполне успешно реализовываться проекты охладителей на основе магнетокалорического эффекта для специальных и лабораторных применений [11]. Но, все устройства, основанные на магнетокалорическом эффекте, обладают целым рядом недостатков: отсутствие дешевых, высокоэффективных и малогабаритных генераторов сильного магнитного поля; трудности с модуляцией величины напряженности магнитного поля; высокая стоимость эффективных магнетока-

7

дорических материалов. Все, без исключения, работающие прототипы магнетока-лорических охладителей основаны либо на механическом внесении рабочего тела-магнетика в систему постоянных магнитов посредством мощного электро- или пневмоактюатора, либо вращении системы постоянных магнитов вокруг рабочего тела с помощью электропривода. Использование же электромагнитов, способных генерировать необходимые поля, вообще сводит на нет эффективность подобных устройств. Понятно, что подобные системы испытывают большие трудности с точки зрения использования в микро- и наноэлектронике.

Начиная с конца 1960х до середины 2000х годов наблюдается спад интереса исследователей к электрокалорическому эффекту в силу объективных причин ма-териаловедческого и технологического характера. Лишь некоторые исследовательские группы ведут работы в этом направлении: в Л ЭТИ группа под руководством О.Г. Вендика и Л.Т. Тер-Мартиросяна [12-14], в МЭИ Ю.В. Синявским и В.М. Бродянским [15-17]. Р. Радебаух совместно с В.Лаулесом ведет в США разработку электрокалорического охладителя для сверхпроводников [18]. В США получены несколько патентов на возможные прототипы ЭК охладителей [19-20]. Но, ни одна из этих групп так и не достигает конечной цели - создание рабочего прототипа электрокалорического охладителя, способного в какой-либо области науки и техники потеснить или заменить рефрижераторы, работающие по классическим термодинамическим схемам или элементы Пельтье.

Следующий всплеск интереса к электрокалорическим охладителям, продолжающийся до сих пор, начинается с 2005 года с громкой публикации Алексея Мищенко и Джеймса Скотта из Кембриджского университета. [21] В данной публикации утверждалось, что на тонкой пленке титаната-цирконата свинца удалось получить рекордные значения величины ЭК эффекта в 12 градусов. И это не предел для современных материалов и технологий и открывает новые перспективы использования ЭК эффекта. Возобновившийся интерес к ЭК охладителям был сильно подпитан острой потребностью в связи с переносом все более мощной элементной базы со стационарного оборудования в переносные компактные электронные изделия, такие как ноутбуки, планшетные компьютеры и смартфоны.

8

Невозможность отвода тепловой нагрузки с модулей обработки и передачи информации в мобильных устройствах ощутимо сказывается на характеристиках и параметрах мобильных устройств. Также проблема отвода тепла сильно тормозит развитие и внедрение процессорных чипов, построенных по ЗБ архитектуре.

На сегодняшний момент созданы все условия для реализации твердотельного охладителя на ЭК эффекте с возможностью интеграции в микро- и наноэлек-тронные системы и комплексы. В последних работах в области ЭК эффекта экспериментально показан эффект изменения температуры 20-30 градусов при напряженности электрического поля 3 В/мкм [22]. Уже видны пути решения проблем, связанных с дороговизной и сложностью изготовления активных емкостных ЭК структур. В последнее десятилетие широкое развитие получили технология толстых керамических пленок и технология многослойной высоко- и низкотемпературной совместноспеченной керамики. Это позволяет понизить на электрокалорических элементах, при сохранении количества активного вещества, рабочие напряжения на 2 порядка, с нескольких киловольт до нескольких десятков вольт. При использовании данных технологий стало возможным создание в веществе величины напряженности поля, необходимой для получения значительных величин ЭК эффекта, с помощью диапазона напряжений, используемых в изделиях бытовой и портативной электроники [23].

Использование керамик на основе твердых растворов титаната бария-стронция и магнониобата свинца - титаната свинца показывает возможность получение крайне дешевой элементной базы. Уже сейчас, себестоимость стандартного многослойного сегнетоэлектрического чип-конденсатора на основе титаната бария-стронция, при выпуске в промышленных масштабах, составляет менее 1 цента США. Однако, изготовление пилотных образцов таких структур является крайне затратным и доступно не всем исследователям. Экспресс анализ же одного активного слоя многослойной структуры, который без особых усилий может быть воспроизведен в лабораторных условиях, без привлечения промышленного оборудования, также представляет проблему для разработчиков ввиду малой теплоемкости тонкого слоя.

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 ЭК эффекта.

Решением данной проблемы является создание охладителя, работающего без использования тепловых ключей, что способствует увеличению его эффективности и возможности интеграции в различные электронные системы и комплексы.

Таким образом, целями диссертационной работы является 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.

В соответствии с поставленными це�