Что такое термоэлектрические или полупроводниковые холодильники?

Это устройства, в которых используется эффект Пельтье: при пропускания тока через контакт металлов с разной работой выхода температура этого контакта меняется, причём знак изменения зависит от направления тока. А значит, может и понижаться.

Сам Пельтье обнаружил этот эффект, исследуя спал металл-металл, где тепловой эффект был весьма небольшим. В современных элементах используются полупроводниковых материалы сложного состава (как правило, типа А2В6), где тепловой эффект намного существеннее, то есть на каждый ампер протекающего тока отбирается куда больше тепла, чем это могло быть получено в 1834 году, когда даже слов таких - полупроводник - ещё не знали.

По сути элемент Пельтье представляет собой тепловой насос. Он перекачивать тепло из одного места в другое - с холодной грани батареи на её горячую грань, если говорить в современных терминах. То есть элемент Пельтье "генерирует" разность температур между холодной и горячей гранями.

Отсюда следует, что для нормальной работы такого элемента необходимо отводить тепло от горячей грани - ведь теплопроводность между холодной и горячей гранями никуда не исчезает.

Ещё одна особенность эффекта - зависимость от температуры. Чем ниже температура холодной грани, тем слабее эффект. Поэтому для каждого конкретного элемента существует предельная температура холодной грани, ниже которой не опуститься даже с нулевой тепловой нагрузкой. Ясень пень, что эта температура зависит от температуры горячей грани. Чем она ниже, тем до более низкой температуры можно охладить холодную грань. Это используется в многокаскадных батареях, где гопячая грань "верхнего этажа" находится в тепловом контакте с холодной гранью нижнего. С учётом же того, что чем ниже "исходная температура" (горячей грани) - тем ниже перепад, вклад в конечную температуру каждого следующего каскада многокаскадной батареи всё меньше и меньше (как и хладопроизводительность батареи – то есть при каком тепловыделении в нагрузке она ещё обеспечивает вот эту темперуру – тоже всё меньше и меньше). Поэтому батареи с числом каскадов больше двух применяются довольно редко.

Ну и собсно о применении. Ясен пень, что в первую очередь такие элементы имеет смысл применять там, где ключевой фактор – компактность и отсутствие движущихся частей. Или же – компактность и возможность управления температурой (то есть термостабилизация). Ну или же просто компактность и возможность работы от низкого напряжения.

Поэтому чаще всего такие батареи применяют для охлаждения полупроводниковых приборов. Если какой-то компонент, выделяющий много тепла и/или критичный к температуре, установить на холодную грань батареи Пельтье, то тем самым можно тепло от него отводить не "в воздух", как это происходит при пассивном охлаждении, а через батарею на какой-то эффективный теплоотвод, например на тепловую трубку. Вот охлаждение процессора в компьютерах - один из примеров такого использования. Другой пример - охлаждение полупроводниковых приёмников изображения. Для ПЗС- или КМОП-матриц, которые должны работать при длительной экспозиции (это обычно не ширпотреб, а камеры специального назначения, например, для флюоресцентной микроскопии или для астрономии, где длительность экспозиции – десятки минут), критическим становится темновой ток матриц. Он должен быть как можно ниже, чтоб не заполнять ёмкость ячейки при сверхнизкой освещённости паразитным сигналом, не относящимся к делу. Поскольку темновой ток сильно зависит от температуры, то охлаждение матриц помогает давить его весьма эффективно. Для этого прямо в корпус, где монтируется матрица, устанавливается такая батарея (обычно двухкаскадная), тем самым температура матрицы понижается до -40?С, что и снижает темновой ток до преемлимых величин (в серьёзной строномии это уже не работает, там охлаждают жидким азотом).

Ещё один пример применения – медицина. В частности микрохирургия. Вот там уже используют действительно много каскадов. Например, в криоэкстракторе катаракты для удалении помутневшего от катаракты хрусталика примеяют семикаскадные батареи. Темперутура кончика такой батареи доходит до -142 градусов. Удаляемый хрусталик просто примораживается к инструменту.

Технические подробности и внешний вид, если кому интересно, - на сайте www.osram.ru.