Термоэлектрический эффект и охлаждение, эффект пельтье

Термоэлектрический охлаждение использует эффект Пельтье , чтобы создать тепловой поток между стыке двух различных типов материалов.

Охладитель Пельтье, обогреватель, или термоэлектрический тепловой насос представляет собой твердотельный активные тепловой насос , который передает тепло от одной стороны устройства к другим, с потреблением электрической энергии , в зависимости от направления тока.

Такой инструмент также называют устройство Пельтье , тепловой насос Пельтье , твердотельный холодильник или термоэлектрический охладитель ( TEC ).

Он может быть использован как для нагрева или охлаждения, хотя на практике основное приложение охлаждения. Он также может быть использован в качестве регулятора температуры , что либо нагревает или охлаждает.

Эта технология гораздо менее широко применяются для холодильных установок, чем холодильная пара-сжатие является.

Основные преимущества кулера Пельтье по сравнению с холодильником из паровой фазы сжатия являются его отсутствие подвижных частей или циркуляции жидкости, очень длительный срок службы, неуязвимость к утечкам, малый размер, и гибкой форме.

Ее основными недостатками являются высокая стоимость и низкая эффективность мощности. Многие исследователи и компании пытаются разработать Пельтье охладители , которые являются дешевыми и эффективными. (См термоэлектрических материалов .)

Охладитель Пельтье также может быть использован в качестве термоэлектрического генератора . При работе в качестве охладителя, напряжение прикладывается через устройство, и в результате, разница в температуре будет накапливаться между двумя сторонами.

При работе в качестве генератора, одна сторона устройства нагревается до температуры выше , чем с другой стороны, и в результате, разница в напряжении будет накапливаться между двумя сторон ( эффект Зеебека ).

Однако, хорошо спланированная Пельтье кулер будет посредственным термоэлектрический генератор , и наоборот, из — за различных требований к конструкции и упаковки.

принцип работы

Элемент Пельтье схематичный. Термоэлектрические ноги термически параллельно и электрически последовательно.

Термоэлектрические охладители работают на эффекте Пельтье (который также известен под более общим названием термоэлектрический эффект). Устройство имеет две стороны, и когда DC электрический ток протекает через устройство, он приносит тепло от одной стороны к другой, так что одна сторона получает охладитель , а другой становится жарче. «Горячая» сторона прикреплена к радиатору , так что он остается при температуре окружающей среды, в то время как сторона круто опускается ниже комнатной температуры. В некоторых приложениях, несколько охладители могут быть каскадно вместе более низкой температуре.

строительство

Два уникальных полупроводники, один п-типа и один р-типа, используются потому, что они должны иметь различные плотности электронов.

Полупроводники размещены термически параллельно друг другу и электрически последовательно соединены, а затем с помощью теплопроводной пластины с каждой стороны.

Когда напряжение прикладываются к свободным концам двух полупроводников есть поток постоянного тока через переход из полупроводников, вызывающих разность температур.

Сторона с охлаждающей пластиной поглощает тепло, которое затем перемещается на другой стороне устройства, где радиатор. Термоэлектрические охладители, также сокращенно ТЭМ, как правило, соединены бок о бок и зажат между двумя керамическими пластинами. Охлаждения способность общего блока в этом случае пропорциональна количеству ТЭМ в нем.

Некоторые преимущества использования ПИС являются:

• Нет движущихся частей таким образом требуется техническое обслуживание реже
• Нет хлорфторуглеродов (CFC)
• Регулирование температуры с точностью до доли градуса может поддерживаться
• Гибкая форма (форм-фактор); в частности, они могут иметь очень маленький размер
• Может использоваться в средах, которые меньше или более серьезными, чем обычные охлаждения
• Длительный срок службы, при этом среднее время наработки на отказ (MTBF), превышающим 100,000 часов
• Управляемый с помощью изменения входного напряжения / тока

Некоторые недостатки использования ПИС являются:

• Лишь ограниченное количество теплового потока может рассеиваться
• Отнесенный к приложениям с низким тепловым потоком
• Не так эффективно, с точки зрения коэффициента производительности , так как системы сжатия паров (см ниже)

Спектакль

Одноступенчатый TEC обычно производит разницу максимальной температуры 70 ° C между его горячими и холодными сторонами.

Больше тепла перемещается с помощью TEC, тем менее эффективно оно становится, потому что ТЕС должен рассеивать тепло, как в движении, и он генерирует тепло от своего собственного потребления электроэнергии.

Количество тепла, которое может быть поглощено пропорциональна току и времени.

Q знак равно п я T , { Displaystyle Q = PIT,}

где Р является коэффициент Пельтье, я это ток, и т является время. Коэффициент Пельтье зависит от температуры и материалов ТЕС изготовлен.

В холодильных установках, термоэлектрические узлы имеют около 1/4 — ый эффективность по сравнению с обычными средствами (они предлагают около 10-15% эффективности идеального цикла Карно холодильника , по сравнению с 40-60% достигается за счет обычных систем сжатия цикла (обратный Ренкина системы с использованием сжатия / расширения).) в связи с этим более низкой эффективностью, термоэлектрического охлаждения , как правило , используется только в средах , где твердотельный природа (нет движущихся частей , низкие эксплуатационные расходы, компактный размер и ориентацию нечувствительности) перевешивает чистый коэффициент полезного действия .

Пельтье (термоэлектрический) охладителя производительность зависит от температуры окружающего воздуха, горячей и холодной стороне теплообменника ( радиатора ), производительность тепловой нагрузки, модуль Пельтье (термобатареи) геометрии, а также электрические параметры Пельтье.

Требования к термоэлектрическим материалам:

• Узкополосные полупроводники из-за работы при комнатной температуре
• Тяжелые элементы из-за их высокой мобильности и низкой теплопроводности
• Большая элементарная ячейка, сложная структура
• Сильноанизотронный или высокая симметрия
• Сложные композиции

Общие термоэлектрические материалы , используемые в качестве полупроводников включают теллурида висмута , теллурида свинца , кремний-германий и висмут-сурьма сплавы. Из них теллурида висмута является наиболее часто используемым. Новые материалы высокопроизводительных для термоэлектрического охлаждения в настоящее время активно исследуются.

Пользы

USB-питанием кулера напитков

Термоэлектрические охладители используются для применений, требующих отвод тепла в диапазоне от милливатт до нескольких тысяч ватт. Они могут быть изготовлены для применения в небольших качестве охладителя напитка или такого размера, как на подводной лодке или железнодорожного вагона. ТЭМ имеют ограниченный срок службы. Их сила здоровье может быть измерена путем изменения их сопротивления переменного тока (ACR). Когда TEC получает «старый» или износилась, ACR будет увеличиваться.

Потребительские товары

Элементы Пельтье обычно используются в потребительских товарах. Так , например, элементы Пельтье используются в кемпинга , портативных охладители, охлаждения электронных компонентов и небольших инструментов. Охлаждающий эффект Пельтье тепловых насосов также могут быть использованы для извлечения воды из воздуха в осушителей .

Электрический сь / тип автомобиля охладитель обычно может снизить температуру до 20 ° C (36 ° F) ниже температуры окружающей среды. Климат контролируемой куртки начинают использовать элементы Пельтье. Термоэлектрические охладители используются для увеличения теплоотводов для микропроцессоров.

Они также используются для винных холодильников.

промышленные

Термоэлектрические охладители используются во многих областях промышленного производства и требуют тщательного анализа производительности, поскольку они сталкиваются испытанием запуска тысячи циклов, прежде чем эти промышленные продукты запускаются на рынок. Некоторые приложения включают в себя лазерное оборудование, термоэлектрические кондиционеры или холодильники, промышленная электроника и телекоммуникации, автомобилестроение, мини-холодильники и инкубаторы, военные шкафы, IT корпуса, и многое другое.

Наука и изображения

Термоэлектрические элементы используются в научных приборах. Они представляют собой общий компонент в термоциклерами , используется для синтеза ДНК с помощью полимеразной цепной реакции ( ПЦР ), общей молекулярной биологической техники, который требует быстрого нагрева и охлаждения реакционной смеси для отжига праймера и денатурации ферментативных циклов синтеза.

С обратной схемы, элементы Пельтье могут быть использованы для реализации высокостабильные регуляторы температуры, которые держат желаемую температуру в пределах ± 0,01 ° C. Такая стабильность может быть использована в точных лазерных применениях, чтобы избежать волн лазера дрейфа при изменении температуры окружающей среды.

Эффект используется в спутников и космических аппаратов , чтобы уменьшить разницу температур в результате прямого солнечного света на одной стороне промысла путем рассеивания тепла над холодным затененной стороны, где она рассеивается в виде теплового излучения в пространстве.

С 1961 годом , некоторые беспилотные космические аппараты (включая Любопытство марсоход) используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ) , которые преобразуют тепловую энергию в электрическую энергию с использованием эффекта Зеебека.

Устройства могут длиться несколько десятилетий, так как они заряжаются при распаде высокоэнергетических радиоактивных материалов.

Детекторы фотонов , такие как ПЗС в астрономических телескопов , спектрометров , или очень высокого класса цифровых камер часто охлаждается элементами Пельтье. Это уменьшает темные отсчеты из — за тепловой шум .

Темный отсчет происходит , когда пиксель регистрирует электрон , вызванное тепловой флуктуации , а не фотона. На цифровых фотографиях при слабом освещении , как это происходит крапинками (или «пиксельный шум»).

Термоэлектрические охладители могут быть использованы для охлаждения компьютерных компонентов для поддержания температуры в пределах конструкции или для поддержания стабильного функционирования при разгоне . Охладитель Пельтье с теплоотводом или водоблока может охлаждать чип значительно ниже температуры окружающей среды.

В волоконно-оптических применений, где длина волны лазера или компонент сильно зависит от температуры, термоэлектрические охладители используются совместно с термистором в петле обратной связи , чтобы поддерживать постоянную температуру и тем самым стабилизировать длину волны устройства.

Некоторое электронное оборудование, предназначенное для использования в военных целях в поле термоэлектрического охлаждения.

Удостоверение личности

Элементы Пельтье все соответствует спецификации универсальной идентификации

Подавляющее большинство ТЭМ иметь идентификатор, напечатанный на охлажденной стороне.

Эти универсальные идентификаторы четко указывают размер, количество этапов, количество пар, и текущий рейтинг в амперах, как показано на соседнем рисунке.

Смотрите также

• термоакустика
• Thermotunnel охлаждение

Рекомендации

ПОИСК

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье при прохождении постоянного тока через два спая разных металлов (рис. 1У-48) или полупроводников, при противоположной последовательности металлов в спаях в одном из них происходит поглощение тепла Со, а в другом выделение Q.

В зависимости от условий конвекции и теплопроводности в спаях возникают температуры [c.369]     Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье) [c.

18]

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье, сущность которого заключается в выделении или поглощении тепла на контакте двух различных проводников в зависимости от направления электрического тока.

При этом роль рабочего тела выполняют электроны в батареях из термоэлементов, для которых применяют полупроводники из сплавов некоторых тяжелых металлов германия, теллура, селена и др. [c.19]

    Холодильные установки могут работать на принципах испарения некоторых сжиженных газов (паровые) или расширения газов (газовые), эффекта Пельтье (термоэлектрическое охлаждение), эффекта Ранка (вихревое охлаждение). [c.140]

    Охлаждение получается в результате того или иного физического явления, сопровождаемого процессом отнятия, перехода тепла.

Наиболее известными процессами этого рода будут явления изменения агрегатного состояния тела (таяние, сублимация, растворение и испарение), производство внешней работы за счет внутренней энергии расширяющегося тела (адиабатное и политропное расширение газа), процесс дросселирования (эффект Джоуля-Томсона), термоэлектрический процесс (эффект Пельтье), магнитные явления (адиабатное выключение магнитного поля изотермически намагниченного парамагнитного тела) и др. [c.5]

    Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье) (рис. 5.6) обусловлено поглощением теплоты на одном спае полупроводникового элемента и выделением его на другом при прохождении постоянного тока через элемент.

При поддержании температуры горячего спая на определенном уровне можно получить необходимую температуру холодного спая. Многокаскадная батарея (горячий спай одной батареи примыкает к холодному спаю другой и т. д.

) позволяет значительно снизить температуру холодного спая каскада, непосредственно примыкающего к захолажи-ваемому прибору. [c.280]

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье при прохождении постоянного тока через два спая разных металлов (рис. 1У-48) или полупроводников, при противоположной последовательности металлов в спаях в одном из них происходит поглощение тепла Ро, а в другом выделение С.

В зависимости от условий конвекции и теплопроводности в спаях возникают температуры Го и Г. Металлы, образующие систему, должны иметь разные потенциалы (отсюда и обозначения -1-, —). Соединяются эти металлы медными проводами, что облегчает соединение системы с камерой (охлаждения), а также получение и отдачу тепла (Ро и Р). Такая система удобна для охлаждения. Холодильный к. п. д.

установки такого типа несколько ниже, чем компрессионных установок. [c.369]

    Рассмотрим кратко физическую картину нестационарного режима термоэлектрического охлаждения. Известно, что эффект Пельтье имеет место на контакте разнородных проводников тока, т. е. это эффект поверхности . Эффект Джоуля — это тепловой эффект в объеме проводника тока. Когда в тепловом балансе холодного спая термоэлемента мы записываем половину теплоты Джоуля, поступающей на спай, как отрицательный эффект мы имеем в виду достаточно длительное (в электронном масштабе) время, за которое порции джоуле-вой теплоты из центральных областей ветви термоэлемента достигнут холодного спая. В течение этого времени эффект Пельтье сохраняет свое холодное преимущество перед эффектом Джоуля. И если в. этот момент времени через ветви термоэлемента пропустить ток выше /щах (/опт), ТО можст возникнуть эффект кратковременного охлаждения до уровня температур ниже максимально достигаемых в режиме / их- Более того, в конце этого временного промежутка можно дать еще большее значение тока и получить (уже на совсем короткое время) еще один пик холода . Схематически такой режим представлен на рис. 11. [c.36]

    Термоэлектрический эффект. При пропускании электрического тока по цепи, состоящей из двух разных проводников, спаянных друг с другом, один из спаев охлаждается, а другой нагревается (эф кт Пельтье).

В случае применения вместо обычных металлов полупроводников термоэлектродвижущая сила которых во много раз превышает соответствующие значения для металлов, открывается перспектива использования термоэлектрического охлаждения для получения низких температур.

Для этой цели должны быть созданы батареи эффективных термоэлементов, изготовленных из полупроводников. [c.654]

    Возможность получения холода путем непосредственной затраты электрической энергии была доказана еще в 1834 г, французским физиком Пельтье, который установил, что при прохождении тока в замкнутой цепи, спаянной из двух разных металлов (термопара), один спай нагревается, а другой охлаждается.

Чтобы холодный спай постоянно имел низкую температуру и был источником охлаждения, теплый спай необходимо охлаждать, иначе теплота от него будет передаваться путем теплопроводности холодному спаю. Более ста лет эффект Пельтье не находил практического применения. Только в 1949 г. благодаря работам советских ученых во главе с академиком А. Ф.

Иоффе термоэлектрическое охлаждение стали применять в технике. [c.24]

    Термомеханический эффект в гелии II. Так называемый термомеханический эффект в гелии II заключается, как известно, в том, что при вытекании гелия из сосуда через тонкий капилляр в сосуде наблюдается охлаждение.

Само по себе наличие термомеханического эффекта свойственно не одному только гелию аномальным у гелия II является только большая величина эффекта.

Термомеханический эффект в обычных жидкостях представляет собой необратимое явление типа термоэлектрического эффекта Пельтье. [c.405]

    На современном уровне техники охлаждение какой-либо среды или тела может быть осуществлено на основе использования ряда принципов и явлений.

Для получения охлаждающего действия используются фазовые превращения веществ (плавление, кипение, растворение солей), расширение газообразных веществ, дросселирование (эффект Джоуля-Томсона), вихревой эффект, термоэлектрический эффект (эффект Пельтье), размагничивание твердого тела и другие явления, [c.9]

    Термоэлектрическое охлаждение [48, 222—224]. В основе метода лежит эффект Пельтье (открытый в 1834 г.), заключающийся в том, что при пропускании тока по цепи, состоящей из двух различных проводников, в точках контакта выделяется или поглощается (З2″  [c.70]

    Любой природный процесс, сопровождающийся поглощением тепла, может быть использован для охлаждения.

Практически охлаждающий эффект получают с помощью применения следующих физических процессов рабочих тел фазовых превращений, сопровождающихся поглощением тепла (плавление, парообразование, растворение соли) десорбции газов, расширения сжатого газа (с получением внешней работы) дросселирования (эффект Джоуля-Томсона) вихревого эффекта-, размагничивания твердого тела (магнитно-калорический эффект) термоэлектрического эффекта (эффект Пельтье). [c.5]

    В течение последнего дес5ггилетия среднегодовой прирост мирового производства термоэлектрических охлаждающих модулей составляет 15-25 %.

Столь высокие и устойчивые темпы роста свойственны разве что таким высокотехнологичным продуктам, как компьютерная техника и программное обеспечение.

Несмотря на то, что со времени открытия эффекта термоэлектрического охлаждения (эффекта Пельтье) прошло около 170 лет, его практическое использование стало возможным лишь в последние десятилетия. [c.117]

    В современных гигрометрах точки росы для охлаждения зеркальца црименяют термоэлектрический способ, основанный на эффекте Пельтье. В этом случае плавное охлаждение и подогрев зеркальца легко осуществляются посредством изменения силы и направления тока, проходящего через полупроводниковый элемент.

Автоматические гигрометры, естественно, повышают точность результатов, заметно сокращают время анализа и расход газа нри низких содержаниях воды. Последнее связано с тем, что визуальный способ регистрации требует накопления значительного количества жидкости. Г.

чавное же достоинство автоматических гигрометров — это исключение утомительной процедуры наблюдения за состоянием поверхности зеркальца. [c.141]

Элемент Пельтье

Термоэлектрические явления

Принципы Термоэлектрические явления эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона эффект Эттингсгаузена Эффект Нернста — Эттингсгаузена

Применения Термоэлектрические материалы Термопара Элемент Пельтье Термоэлектрогенератор Радиоизотопный термоэлектрический генератор

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Принцип действия

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi2Te3 и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек.

Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой.

Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу — противоположные (p->n).

Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.
Также достоинством является отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье[1] возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы.

При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы.

Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Применение

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна.

Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, малогабаритных автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, применяемых в общественном питании, так как применение компрессорной холодильной установки в этом случае невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 °C для одностадийных холодильников и до −120 °C для двухстадийных).

Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров при необходимости экстремального охлаждения без азота.[2][3] До азотного охлаждения использовали именно такой способ.

«Электрогенератор Пельтье» (более корректно было бы «генератор Зеебека», но неточное название устоялось) — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль, аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей:

1. непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье,
2. источник тепловой энергии для нагрева преобразователя (например, газовая или бензиновая горелка, твердотопливная печь и т. д.)

Примечания

1. ↑ Батарея элементов Пельтье (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 22 июня 2010. Архивировано 24 февраля 2008 года.
2. ↑ Overclockers.ru: (восстановлено) FAQ по разгону видеокарт (неопр.). Overclockers.ru. Дата обращения 20 апреля 2019.
3. ↑ Охлаждение процессоров (неопр.). www.hwp.ru. Дата обращения 20 апреля 2019.

См. также

• Термоэлектрогенератор
• Холодильный компрессор

Ссылки

• Медиафайлы на Викискладе

• Охлаждение процессора ПК элементом Пельтье, HardwarePortal.ru, 2002
• Что такое элемент Пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение, Авг 10, 2017

Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект

Элементы Пельтье называются специальные термоэлектрические преобразователи, работающие по принципу Пельтье. (образования разности температур при подключении электрического тока, другими словами, термоэлектрический охладитель).

Ни для кого не секрет, что электронные устройства при работе греются.

Нагрев отрицательно влияет на процесс работы, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в корпус устройств встраивают специальные элементы, называющиеся по имени изобретателя из Франции – Пельтье.

Это малогабаритный элемент, который может охлаждать радиодетали на платах устройств. При его установке собственными силами никаких проблем не возникнет, монтаж в схему производится обычным паяльником.

1 — Изолятор керамический 2 — Проводник n — типа 3 — Проводник p — типа

4 — Проводник медный

В ранние времена вопросы охлаждения никого не интересовали, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, при использовании электронных устройств в быту и промышленности, стали применять миниатюрные элементы Пельтье, вспомнив об эффекте французского изобретателя.

Принцип действия

Чтобы понять, как работает элемент на основе изобретения Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах. Эффект заключается в соединении двух материалов с токопроводящими свойствами, обладающими различной энергией электронов в районе проводимости.

При подключении электрического тока к зоне связи, электроны получают высокую энергию, для перехода в зону с более высокой проводимости второго полупроводника. Во время поглощения энергии проводники охлаждаются.

При течении тока в обратную сторону происходит обычный эффект нагревания контакта.

Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:

• Свойства металла.
• Температуры среды.

Предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Во время касания двух металлов с различной температурой, холодный электронный газ перемещается в теплый металл. Создается разность потенциалов.

На стыке контакта электроны поглощают энергию фононов и отдают ее на другой металл фононам. При смене полюсов источника тока, весь процесс будет обратного действия. Разность температур будет возрастать до того момента, пока имеются в наличии свободные электроны с большим потенциалом. При их отсутствии наступит уравновешивание температур в металлах.

Если на одну сторону пластины Пельтье установить качественный теплоотвод в виде радиатора, то вторая сторона пластины создаст более низкую температуру. Она будет ниже на несколько десятков градусов, чем окружающий воздух. Чем больше значение тока, тем сильнее будет охлаждение. При обратной полярности тока холодная и теплая сторона поменяются друг с другом.

При соединении элемента Пельтье с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Их количество может быть любым, это зависит от потребности в мощности охлаждения.

Эффективность действия эффекта Пельтье зависит от того, насколько точно выбраны свойства металлов, силы тока, протекающей по прибору, скорости отвода тепла.

Сфера использования

Чтобы применить практически элемент Пельтье, ученые произвели несколько опытов, показавших, что повышение отвода тепла достигается увеличением числа соединений 2-х материалов. Чем больше число спаев материалов, тем выше эффект. Чаще в нашей жизни такой элемент служит для охлаждения электронных устройств, уменьшения температуры в микросхемах.

Вот их некоторые области использования:

• Устройства ночного видения.
• Цифровые камеры, приборы связи, микросхемы, нуждающиеся в качественном охлаждении, для лучшего эффекта картинки.
• Телескопы с охлаждением.
• Кондиционеры.
• Точные часовые системы охлаждения кварцевых электрических генераторов.
• Холодильники.
• Кулеры для воды.
• Автомобильные холодильники.
• Видеокарты.

Элементы Пельтье часто используются в системах охлаждения, кондиционирования. Есть возможность достижения довольно низких температур, что открывает возможность применения для охлаждения оборудования с повышенным нагревом.

В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, выполняющих роль кулера. Элементы Пельтье не создают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их достоинств.

Такая технология стала популярной из-за мощной отдачи тепла. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют компактные размеры, радиаторы охлаждения поддерживают определенную температуру долгое время.

Достоинством элементов является длительный срок службы, потому что они сделаны в виде монолитного корпуса, неисправности маловероятны. Простая конструкция обычного широко применяемого вида простая, состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами, изоляции из керамики.

Это небольшой перечень мест применения. Он расширяется за счет устройств бытового назначения, компьютеров, автомобилей. Можно отметить использование элементов Пельтье в охлаждении микропроцессоров с высокой производительностью. Ранее в них устанавливались только вентиляторы. Теперь, при монтаже модуля с элементами Пельтье значительно снизился шум в работе устройств.

Будут ли меняться схемы охлаждения в обычных холодильниках на схемы с использованием эффекта Пельтье? Сегодня вряд ли это возможно, так как элементы имеют низкий КПД.

Стоимость их также не позволит применить их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, насколько будет развиваться это направление.

Сегодня проводятся эксперименты с твердотельными растворами, аналогичными по строению и свойствам. При их использовании цена модуля охлаждения может уменьшиться.

Обратный эффект элементов Пельтье

Технология подобного вида имеет особенность с интересными фактами. Это заключается в эффекте образования электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит генератором электрической энергии, при обратном эффекте.

Такие генераторы электричества существуют пока чисто теоретически, но можно надеяться на будущее развитие этого направления. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.

Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, что подтверждается докладами и опытами исследователей и ученых.

В будущем бытовая и электронная техника станет обладать совершенными инновационными возможностями. Холодильники станут бесшумными, так же, как и компьютеры.

А пока модули Пельтье монтируют в разные схемы для охлаждения радиодеталей.

Преимущества и недостатки

Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:

• Компактный корпус элементов, позволяет монтировать его на плату с радиодеталями.
• Нет движущихся и трущихся частей, что повышает его срок службы.
• Позволяет соединение множества элементов в один каскад, по схеме, позволяющей уменьшать температуру очень горячих деталей.
• При смене полярности питающего напряжения элемент станет работать в обратном порядке, то есть, стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.

Недостатками можно назвать такие моменты:

• Недостаточный коэффициент действия, влияющий на увеличение подводимого тока, для достижения необходимого перепада температур.
• Довольно сложная система отведения тепла от поверхности охлаждения.

Как изготовить элементы Пельтье для холодильника

Изготовить такие элементы Пельтье можно самому быстро и просто. Для начала нужно определиться с материалом пластин. Нужно взять пластины элементов из прочной керамики, приготовить проводники в количестве больше 20 штук, для того, чтобы обеспечить наибольший перепад температур. При достаточном числе элементов КПД произойдет значительное увеличение производительности холодильника.

Большую роль играет мощность применяемого холодильника. Если он действует на жидком фреоне, то с производительностью проблем не возникнет. Пластины элементов монтируются возле испарителя, смонтированного вместе с двигателем. Для такого монтажа понадобится некоторый набор прокладок и инструмента. Таким образом, обеспечится быстрое охлаждение нижней части холодильника.

Необходима тщательная изоляция проводников, только после этого их подключают к компрессору. После окончания монтажа нужно проверить напряжение мультиметром. При нарушении работы элементов (например, короткое замыкание), сработает терморегулятор.

Другие применения термоэлектрических модулей

Эффект модуля Пельтье применяется сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда пригодится там, где необходима бесшумный и быстрый обмен теплом.

Основные места использования модулей:

• Охлаждение микропроцессоров.
• Двигатели внутреннего сгорания выпускают отработанные газы, которые ученые стали применять для образования вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Полученная таким способом энергия подается снова в мотор, в виде электричества. Это создает экономию топлива.
• В бытовых устройствах, действующих на нагревание или охлаждение.

Охлаждающий кулер может превратиться в нагреватель, а холодильник может выполнять функцию теплового шкафа, если изменить полярность постоянного тока. Это называется обратимым эффектом.

Такой принцип применяют в рекуператорах. Он состоит из бокса из двух камер. Они между собой сообщаются вентилятором. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, с помощью энергии, которая извлечена из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на отопление помещений.

Похожие темы: