Элемент пельтье как работает

Что такое элемент Пельтье – электро-, термопреобразователь, который состоит из нескольких пар ( в отдельных случаях одной) полупроводников различных по свойству типов («n» и «р»), последние соединяются перемычками из металла – в основном это — медь. На практике данное устройство создает температурную разность на разных концах поверхности при протекании энергии электрического тока.

Одним из наиболее простейших вариантов данного устройства Пельтье в практическом использовании является модификация ТЕС1-12706, изображенная на рисунке 1.

Элемент Пельтье – преобразователь термический, электрический ТЕС1-12706

Принцип работы элемента Пельтье

В корне принципа работы положен термоэлектрический эффект Пельтье. Другими словами — при протекании и под действием электрического тока создается разница температур в местах контактов термопар — полупроводников «n» и «р» — типа.

Элементы Пельтье – доволи таки «чувствительные устройства» к перегреву и высоким температурам. К ним предъявляются высокие требования к эксплуатации, при невыполнении которых, устройство быстро выходит из строя. Очень важно отводить тепло, для этой цели необходимо устанавливать радиатор или вентилятор, в противном случае не достигается температура холодной стороны относительно горячей.

Как работает элемент Пельтье

Представим, что электрический ток проходит через термическую пару, как показано на рисунке 2.

Принцип работы элемента Пельтье

В этом случае происходит процесс поглощения энергии тепла на полупроводниковом контакте n — p и процесс выделения тепловой энергии на p — n контакте. В итоге часть термопары полупроводника, который сопрягается с n — p контактом, будет охлаждаться, а вторая часть с другой противоположной стороны — соответственно, нагреваться.

В том случае, когда поменяем полярность по току, то происходит процессы нагревания и охлаждения, соответственно, также поменяются.

Обратный процесс эффекта Пельтье приводит к тому, что при подводе теплоты к одной стороне термопреобразователя получают энергию электрического тока.

Конечно на практике, применение одной термопары не хватает для полного отвода тепловой энергии, поэтому в преобразователе применяют большое количество. Электрическая цепь собирается из термопар последовательно. В то же время в конструкции термопреобразовательных элементов: нагревающие термопары располагаются на другой стороне относительно охлаждающих.

Устройство элемента Пельтье очень простое. Термические пары конструируются между двумя платинами, выполненными из керамики. Соединение термопар производится медными проводниками (шинами). Количество термопар определяется назначением термопреобразователя, его мощности и места установки и может применяться от одной до нескольких сотен штук.

Устройство элемента Пельтье

Основными элементами термопреобразователя являются: полупроводники р — типа, n — типа, керамические пластины, медные сопряжения — проводники; контакты подвода электрического тока «плюс» и «минус». Для элемента Пельтье разница по температурам разных краев термопар достигает до 70 градусов по Цельсию. Чтобы увеличить данную разницу требуется увеличить каскад последовательного включения термопар.

Основные эксплуатационные характеристики элемента Пельтье

Данное устройство в целом идеально работает в тех случаях, когда хорошо и надежно контактируют термопары с охладительным устройством, будь то радиатор охлаждения или вентилятор охлаждения со змеевиком, то есть – хороший теплосъем.

Модули Пельтье, как их часто называют, очень чувствительны к перепадам по току и напряжению (не более 5 %). Под действием высоких температур (наиболее критическая для элементов до 150 градусов) эффективность снижается во много раз (до 40 %) и модуль очень быстро ломается.

Как правило, в схему работы полупроводниковых элементов недопустимым условием является приспособление релейных устройств: ограничивающих мощность или регулирующих. Это приводит к деградации кристаллических составляющих и к неисправности в скором времени элемента.

Частое включение и выключение устройств также негативно влияет на работу и срок эксплуатации, и его долговечность функционирования. Согласно законов физики — любой нагрев материала приводит к его тепловому расширению, а охлаждение — к сжатию. Соответственно, особенно слабыми местами в полупроводниковых элементах являются «паечные», где из-за механического движения возможно появление дефектов в виде микротрещин и в конце концов к разрыву цепи.

Коэффициент теплопроводности термических пар элемента Пельтье достаточно высок, что с одной стороны является достоинством, а с другой стороны ограничивает срок эксплуатации и расчетное число циклов «стоп-старт-стоп».

Достоинства и недостатки модуля Пельтье

Сравнивать устройство Пельтье с другими охладительными установками с различным приводом в принципе невозможно и нецелесообразно, так как в первом случае имеют полупроводниковые материалы в виде кристаллов, а во втором случае рабочее тело — газ или жидкость ( к примеру: компрессорный холодильник). В различных областях применяются и те и другие устройства.

К преимуществам элементов Пельтье можно отнести:

• полное отсутствие механики движения и вращающихся частей, а также жидкостей, газов;
• абсолютно нет шума работы устройств;
• сравнительно малые размеры;
• двухфункциональность: нагревание и охлаждение при изменении полярности;

К недостаткам можно отнести:

• относительно низкий коэффициент полезного действия;
• требование постоянного источника энергии, питания;
• число пусков и остановов ограничено;
• плавность отключения и включения термоэлектрических устройств;
• контроль нагрева с одной стороны или охлаждения с другой с помощью вентилятора.

Количество электронных устройств в мире постоянно растет как снежный ком. Все они потребляют электроэнергию, и людям приходится постоянно возить и носить с собой аккумуляторы или вырабатывать ее на громоздких устройствах. В качестве источников тока не так давно стали применяться модули Пельтье — элементы, образующие электрический ток при создании разности температур на их противоположных сторонах.

Эффекты Пельтье и Зеебека

Несмотря на то что почти 2 века назад был создан первый элемент Пельтье, принцип работы нашел применение только сейчас, когда появились подходящие материалы и необходимость в использовании. Он заключается в тепловыделении на контакте разнородных проводников, когда по ним протекает электрический ток. При изменении полярности место контакта начинает охлаждаться. Процесс обратимый: при искусственном поддерживании разности температуры на контактах проводников в их цепи протекает электрический ток (эффект Зеебека).

На базе двух термоэлектрических эффектов создали модуль Пельтье, элементы которого располагаются между двумя параллельными керамическими пластинами в виде разнородных проводников. Проходящий ток через контакт проводников одинаков, а энергетические потоки в каждом из них различаются. Когда энергии в контакт поступает больше, чем вытекает из него, это значит, что электроны затормаживаются в переходной области, вызывая ее разогрев. При изменении полярности электроны ускоряются, забирая энергию у кристаллической решетки, что вызывает ее охлаждение.

Особенно активно эффект Пельтье проявляется на границах полупроводниковых элементов, где наиболее высокие энергетические процессы.

Термоэлектрический модуль

Элементы Пельтье применение нашли в устройстве, состоящем из множества полупроводников p и n типов. В отличие от транзисторов и диодов, переходные области находятся на границе металла с полупроводником. В модуле Пельтье элементы в большом количестве располагаются между керамическими пластинами, что позволяет сделать устройство мощней.

Каждый элемент содержит 4 перехода на контакте полупроводник-металл. Когда электрическая цепь замкнута, электроны перемещаются от минуса батареи питания к плюсу, проходя через все переходы.

На первом переходе термоэлектрического модуля (ТЭМ) между медной шиной и р-полупроводником в последнем выделяется тепло, так как поток зарядов попадает в область с меньшей энергией.

На другом контакте в полупроводнике поглощается энергия, поскольку электроны "высасываются" электрическим полем, совпадающим с направлением их движения. Там происходит процесс охлаждения.

На третьем контакте энергия электронов поглощается, поскольку полупроводник типа n имеет энергию больше, чем металл.

На четвертом переходе выделяется тепло, так как электроны снова тормозятся электрическим полем.

Таким образом, на одной стороне выделяется тепло, а другая — охлаждается. На одном элементе это явление будет незаметно, но модуль Пельтье, элементы которого располагаются между двумя керамическими пластинами, создает значительный температурный перепад.

Модуль можно применять как генератор электроэнергии, если поддерживать разную температуру пластин. При этом каждый термоэлектрический элемент Пельтье последовательно подключается к соседнему через медные перемычки, и токи их суммируются.

Достоинства и недостатки

• небольшие размеры;
• обратимость процесса;
• применение как электрогенератора или холодильника.

К недостаткам ТЭМ относят высокую стоимость, низкий КПД (не более 3 %), высокие энергозатраты и необходимость поддерживания разности температур.

Холодильник из модуля Пельтье

Элемент Пельтье для охлаждения процессора эффективнее стандартных элементов. При этом последние остаются, но применяются только для вывода тепла из замкнутого пространства компьютера.

При их конструировании в качестве охладителя электронных средств нужно учитывать следующие особенности.

1. Мощность напрямую связана с размерами модуля. Небольшие устройства не создадут требуемый уровень охлаждения. Например, они не обеспечат нормальный температурный режим процессора. Слишком мощный модуль вызывает появление влаги, являющейся причиной коротких замыканий в электронике, поскольку расстояния между токопроводящими элементами на печатных платах незначительны.
2. Модули Пельтье сами нуждаются в охлаждении с помощью вентиляторов и радиаторов, поскольку они выделяют много тепла. Это необходимо для снижения температуры в замкнутом пространстве компьютера и нормализации условий работы других элементов.
3. Модуль Пельтье является дополнительной нагрузкой в блоке питания.
4. Холодильник после выхода из строя является изолятором между радиатором и охлаждаемым элементом, что может привести к быстрому выходу последнего из строя от перегрева.
5. Современные процессоры могут изменять потребление энергии при работе, что благоприятно влияет на тепловой баланс, но не всегда при применении модулей Пельтье. Простейшие холодильники рассчитаны на непрерывную работу, и их не рекомендуется использовать вместе с программами охлаждения.

Выделение тепла

Холодильный эффект у ТЭМ небольшой, а тепла он выделяет много. Когда его применяют в системном блоке, внутри значительно повышается температура, влияющая на работу остального оборудования. Дополнительными средствами для ее снижения служат вентиляторы и радиаторы, создающие тепловой выхлоп.

Тепловой режим модуля нужно правильно рассчитать, чтобы не было перегрева и не образовывался конденсат на электронных платах. Кулер Пельтье выбирается с оптимальной мощностью, где важно обеспечить правильное соотношение температуры внутри корпуса, объекта охлаждения и влажностью воздуха.

Элемент Пельтье: характеристики

ТЭМ выбирается по термоэлектрическим параметрам.

Расчет мощности состоит в следующем.

1. Выбирается максимально допустимое напряжение U_max(V) и по графику зависимости U(I) находят максимальную силу тока I_max(A), который протекает через модуль Пельтье. Здесь важно, чтобы его значение находилось в пределах роста зависимости температурного перепада от тока dT(I) = T_h— T_с.
2. По установленной величине I выбирается характеристика dT(Q), где Q — тепловая мощность охлаждаемого элемента.
3. По известным значениям dT и T_h определяется T_с = T_h— dT.

Характеристики dT(Q) показывают, что с ростом выделяемой тепловой мощности снижается разность dT. Ее можно сделать больше, если увеличить силу тока через модуль, которая, в свою очередь, должна быть ограничена.

Пример расчета

Исходные данные: U = 12 В, Q_с = 60 Вт и T_h = 50 °C.

При напряжении 12 В по характеристике U(I) находим ток I = 5 А.

Для силы тока 5 А разница температур dT = 4 К. Тогда T_с = T_h — dT = 50 — 4 = 46 °C.

Взяв более мощный модуль, можно увеличить dT. Для модуля на 131 Вт, где I_max = 8,5 А, U_max = 28,8 В и объекта с мощностью теплообразования 60 Вт разность температур составит 40 °C. Тогда T_с = 50 — 40 = 10 °C.

Выбирая по мощности ТЭМ, не следует забывать о том, сколько тепла он будет выделять. Этот тепловой поток следует удалять подходящими охлаждающими средствами. Когда традиционные средства не справляются с тепловыделением, применяют водяное охлаждение.

Кондиционер

Кондиционер на элементах Пельтье по эффективности пропорционален своим размерам. Его принцип действия и преимущества те же самые, что и у холодильника. Проблемой является отвод тепла за пределы охлаждаемого пространства.

Для кондиционера требуются 2 кулера, где один из них отводит холодный воздух, а другой — горячий. Источником питания в автомобиле служит аккумулятор, а для комнаты подойдет старый БП от персонального компьютера.

Одного модуля для работы устройства будет мало. Обычно применяются несколько элементов, склеенных между собой термопастой.

Холодильник своими руками

Эффект Пельтье применяется при создании портативных холодильников. Модуль можно купить за 300-500 руб., а радиатор с вентилятором берется от старого компьютера. В качестве контейнера можно использовать любую пластиковую, фанерную или металлическую емкости, оклеенные снаружи и изнутри теплоизолирующими пластинами (пенопласт, пеноплекс и т. п.) с отражающими слоями из алюминиевой фольги.

Модуль Пельтье удобней встраивать в крышку, но можно и в стенку корпуса. Если он располагается в верхней части емкости, холод перемещается вниз, обеспечивая равномерную температуру внутри.

Изнутри к модулю приклеивается на термопасту радиатор, который также крепится к крышке. Можно приклеить два модуля друг к другу, но при этом нельзя путать полярность. Горячая сторона нижнего элемента должна контактировать с холодной верхнего. Эффективность охлаждения при этом увеличится.

Снаружи к модулю приклеивается радиатор с вентилятором от кулера компьютера, а также дополнительно крепится к крышке саморезами или винтами. Крепеж с горячей и холодной сторон должен быть друг от друга изолирован, а шляпки залиты термоклеем.

Важно! Затяжку крепежа радиаторов нужно делать аккуратно, чтобы не треснули керамические пластины модулей.

Изнутри на крышку устанавливается теплоизолирующая прокладка. Чтобы улучшить теплоизоляцию, элементы с торцов закрываются рамкой из теплоизола.

Электрика подключается к блоку питания.

Электрогенераторы из модулей Пельтье

Элемент Пельтье, принцип работы которого обратим, применяется для создания миниэлектростанций в условиях отсутствия источников электроэнергии. Для сборки ТЭГ нужны элементы:

1. Модуль Пельтье, способный выдержать температуру от 300 °C. Распространены модели ТЕС-12712 с размерами сторон квадратных пластин 40, 50 и 60 мм. Если выбрать изделие максимального размера, достаточно одного элемента для подзарядки мобильного телефона. Максимальный ток показывают две последние цифры маркировки — 12 а.
2. Повышающий преобразователь. Генератор может не обеспечить нужное напряжение, и его следует увеличить. Чтобы заряжать гаджеты, следует подобрать устройство с разъемом USB.
3. Нагреватель и охладитель. Для походных условий или дачи подходит источник огневого подогрева: самодельная печка, лампа, свеча, костер. Современным решением является каталитический нагреватель, что позволяет производить подзарядку мобильника на ходу. Для охлаждения можно использовать воздух или воду.
4. Конструкция. Самодельный элемент Пельтье состоит из емкости, в которой разводится огонь, а снаружи на термопасту крепится модуль. Через провода он подключается к преобразователю напряжения. Здесь важно не перегреть устройство. Для этого на холодную сторону модуля приклеивается радиатор.

Заключение

Модули Пельтье — элементы, которые широко применяются для охлаждения современной электронной техники. Особенно они необходимы для нормализации теплового режима мощных процессоров. Из них изготавливают своими руками небольшие холодильники для авто или дачи.

Поскольку процесс обратимый, элементы применяют в качестве портативных мини-электростанций в местах, где нет источников электроэнергии.

Элементом Пельтье называют термопару, иначе говоря, устройство изменяющее температуру и работающее в соответствии с одноимённым принципом Пельтье, то есть, демонстрируя разность температур, возникающую с момента подачи электроэнергии. В англоязычных источниках фигурирует в роли термоэлектрического охладителя. Обратный данному эффекту носит название эффекта Зеебека.

Принцип работы устройства

Элемент Пельтье функционирует благодаря взаимодействию одного токопроводящего материала с другим, отличным по энергетическому уровню электронов в проводящей области. Прохождение по такому каналу связи наделяет электрон большим энергетическим запасом, что после позволяет ему перейти в проводящую область с более высоким энергетическим уровнем. Поглощение этой энергии приводит к понижению температуры в точке соединения проводников. Когда же происходит обратное движение тока, контакт нагревает, что находит выражение в виде стандартного теплового эффекта.

При условии, что по одной стороне подключён теплоотвод, в момент эксплуатации радиаторной системы вторая сторона даёт сильное охлаждения (до десятков градусов ниже температурного уровня окружающей среды). Между величиной тока и степенью охлаждения наблюдается прямая зависимость. При смене полярности также меняются положениями стороны нагрева и охлаждения.

Когда элемент Пельтье взаимодействует с деталями, выполненными из металла, то оказываемый им эффект уменьшается во много раз, и температурный контраст становится мало заметен под действием разнообразных явлений связанных с теплопроводностью цепи. По этой причине практическое применение подразумевает использование сразу двух полупроводников.

Сочетать термопары можно в любых количествах в пределах сотни, что делает возможным создание элемента Пельтье любой холодильной мощности.

Термоэлектрический модуль

Особенно явно эффект Пельтье можно наблюдать при использовании p- и n- полупроводников. В соответствии с направлением электротока при переходе через p-n-соединения происходит поглощение, либо выделение энергии.

Именно такая конструкция применяется в ТЭМ (термоэлектрическом модуле). Единичный элемент термоэлектрического модуля – это термопара, конструкция которой представляет собой объединение p- и n- проводника. Если последовательно соединить несколько подобных элементов, то поглощение теплоты будет происходить на n-p-контакте, а выделение на p-n-контакте. В результате возникает уже описанная ранее ситуация с разностью температур. Согласно общепринятому принципу горячей является та сторона, к которой подведены провода и на схеме она всегда расположена внизу.

Рис.1: Термоэлектрический модуль Пельтье

В ТЭМ термопары фиксируются между парой пластин из керамических материалов. Каждая из веток спаивается с медными проводящими площадками (шинками), которые в свою очередь скрепляются с теплопроводящим материалом, например, оксидом алюминия.

Определять уровень рабочего напряжения модуля следует, исходя из количества составных элементов. Наиболее распространённым вариантом является 127-парные модульные конструкции с наибольшим уровнем напряжения в 16 Вольт. Но для их работы обычно достаточно 75% от этого значения. Мало того именно эта цифра является наиболее подходящей, поскольку отвечает и требованиям к рабочим условиям, и является достаточно экономичной. При повышении напряжения мощность почти не увеличится, а вот энергопотребление ощутимо возрастёт.

Применение на практике

На сегодняшний день применение элемента Пельте особенно актуально в устройствах следующих типов:

• Холодильники;
• Кондиционеры;
• Автомобильные охладители;
• Кулеры для воды;
• Видеокарты для персонального компьютера.

В целом, можно сказать, что элемент Пельтье стал неотъемлемой частью разнообразных холодильных и кондиционирующих систем. Использование этого устройства является отличным подходом к решению проблемы перегрева оборудования. В настоящее время элемент Пельтье также может быть использован для охлаждения акустической и звуковой системы, поскольку его работа является совершенно бесшумной и идеально подходит для таких целей.

Есть несколько качеств элемента Пельтье, которые пользуются большим спросом:

• Они обеспечивают достаточно мощную теплоотдачу;
• Имеют весьма скромные размеры, что позволяет использовать их практически в любых устройствах;
• Способны к сохранению одного и того же температурного режима на протяжении продолжительного срока (благодаря радиаторам);
• Отличаются изрядной долговечность, поскольку укомплектованы из ряда цельных недвижимых компонентов.

Самая простая составляющая элемента выглядит как пара медных проводников, к которым подключены контакты, соединительные провода, оснащённые изолирующим элементом (для его изготовления используется нержавеющая сталь или керамика).

Как самостоятельно изготовить элемент Пельтье

Простота конструкции этого устройства располагает к тому, чтобы изготовить его самостоятельно. Тем более, что сфера его практического применения практически не ограничена: холодильники, кондиционеры и другая техника.

Предварительно следует заготовить пару пластин из металла, а также понадобится проводка с контактами. Прежде всего, запаситесь проводниками, которые будут установлены рядом с основанием устройства. Для этих целей лучше всего подойдут PP-проводники.

Далее, не забудьте, что на выходе должны быть установлены полупроводники, которые будут подавать тепло к верхней пластине. Для монтажа элемента потребуется паяльник. На финальном этапе понадобится подключить пару проводов. Один локализуется около основания и надёжно крепится рядом с крайним проводником. Значимо, чтобы не было никаких соприкосновений с пластиной.

Место крепления второго проводника располагается рядом с верхней частью и закрепляется аналогичным образом – у крайнего проводника.

Для проверки элемента на предмет работоспособности нужно будет воспользоваться тестером. Прибор подсоединяется к проводам и производится замер вольтажа. Стандартный показатель отклонения напряжения достигает примерно 23 Вольт.

Мощность элемента Пельте находится в прямой зависимости от его габаритов, это следует учитывать при самостоятельной сборке или монтаже. Установка недостаточно мощного элемента не предотвратит поломку техники, а лишь отсрочит её. В то же время избыточная мощность вызывает падение уровня температуры до критического уровня, когда влага, находящаяся в воздухе может начать конденсировать и оседать на поверхности устройств, что особенно опасно для электронных приборов.

Помимо этого, другая сторона модуля является источником достаточно большого количества тепла, поэтому для обеспечения его безопасной работы требуется вентилятор довольно большой мощности.

Как изготовить генератор на основе элемента Пельтье?

Генераторы на основе элемента Пельтье особенно интересуют людей, которые ввиду достаточно продолжительной отрезанности от цивилизации нуждаются в простом и доступном источнике энергии. Также они широко применяются при критическом перегреве деталей персонального компьютера.

Рис.2: Генератор на основе элемента Пельтье.

Элементы Пельтье имеют достаточно интересный принцип действия, но помимо этого обладают одной любопытной особенностью: если к ним прилагается разность температур, то они продуцируют электричество. Один из вариантов генератора на базе этого устройства предполагает следующую конструкцию:

По двум трубкам (одна для входа, другая для выхода) движется пар, который направляется в полость теплообменника, сконструированный из пластины (материал: алюминий), имеющей толщину 1 см.

К каждому отверстию теплообменника подведено соединение с одним каналом. Габариты теплообменника точно дублируют габариты элементов Пельтье. Два элемента фиксируются на двух сторонах теплообменника с помощью четырёх винтов (по 2 на каждую сторону). В результате, благодаря отверстиям и канальцам теплообменника формируется полноценная система сообщающихся отделов, через которые проходит пар. Двигаясь вперёд, пар входит в камеру по одной трубке и выходит через другую, двигаясь к следующей камере. Транслируемое паром тепло достаётся элементам Пельтье, когда пар непосредственно соприкасается с их поверхностью , а также с материалом теплообменника.

Чтобы вплотную прижать элементы к корпусу теплообменника , а также для организации отвода тепловой энергии на «холодную» сторону применяются пластины из алюминия на 0,5 см в толщину. На последнем этапе вся конструкция герметизируется силиконовыми герметиками.

После этого через трубки пускают пар, а конструкция погружается в холодную воду. Вся система целиком начинает работать. Электрический ток будет образовываться до тех пор, пока разница между температурой «горячей» и «холодной» сторон не сократится до минимума.

Есть и более элементарный метод.

Элемент Пельтье выводами подсоединённый к зарядному телефонному кабелю закрепляется на алюминиевом радиаторе (который будет контактировать с «холодной» стороной) с помощь герметика. Сверху на устройство ставится любой горячий предмет, например, кружка с горячим чаем. Через пару секунд телефон можно ставить на зарядку. Зарядка будет продолжаться, пока чай не остынет.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.