Элемент Пельтье эффекты, следствия и использование

Элемент Пельтье TEC1-12706

Блог технической поддержки моих разработок

Элемент Пельтье это термоэлектрический преобразователь, который создает разность температур на своих поверхностях при протекании электрического тока. Принцип действия основан на эффекте Пельтье – возникновении разности температур в месте контакта проводников под действием электрического тока.

Устройство и принцип действия элемента Пельтье.

Думаю, что только знатоки физики могут понять, как на самом деле работает элемент Пельтье. Для практиков главное, что существует минимальная единица модуля – термопара, представляющая из себя два соединенных проводника p и n типа.

При пропускании через термопару тока, происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n контакте. В результате, участок полупроводника, примыкающий к n-p переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то на оборот, n-p участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

Существует и обратный эффект. При нагревании одной из сторон термопары, вырабатывается электрический ток.

Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Пельтье может достигать 70 °C.

Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны, относительно другой. Т.е. чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

Для увеличения перепада температур, возможно последовательное (каскадное) соединение модулей.

Применение.

Термоэлектрические модули Пельтье применяются:

  • в небольших бытовых и автомобильных холодильниках;
  • в охладителях воды;
  • в системах охлаждения электронных приборов;
  • в термоэлектрических генераторах.

Я, используя элемент Пельтье, сделал холодильник для вина.

Достоинства и недостатки модулей Пельтье.

Как-то неправильно сравнивать элементы Пельтье с компрессорными охлаждающими установками. Совсем разные устройства – большая механическая система с компрессором, газом, жидкостью и маленький полупроводниковый компонент. А больше сравнивать не с чем. Поэтому достоинства и недостатки модулей Пельтье весьма условное понятие. Есть области, в которых они не заменимы, а в других случаях их применение совершенно нецелесообразно.

К достоинству элементов Пельтье можно отнести:

  • отсутствие механически движущихся частей, газов, жидкостей;
  • бесшумная работа;
  • небольшие размеры;
  • возможность обеспечивать как охлаждение, так и нагревание;
  • возможность плавного регулирования мощности охлаждения.
  • низкий кпд;
  • необходимость в источнике питания;
  • ограниченное число старт-стопов ;
  • высокая стоимость мощных модулей.

Параметры элементов Пельтье.

  • Qmax (Вт) – холодопроизводительность, при максимально-допустимом токе и разности температур между горячей и холодной сторонами равной 0. Считается, что вся тепловая энергия поступающая на холодную поверхность, мгновенно, без потерь передается на горячую.
  • Delta Tmax (град) — максимальная разность температур между поверхностями модуля при идеальных условиях: температура горячей стороны – 27 °C и холодная сторона с нулевой отдачей тепла.
  • Imax (А) – ток, обеспечивающий перепад температур delta Tmax.
  • Umax (В) – напряжение, при токе Imax и разности температур delta Tmax.
  • Resistance (Ом) – сопротивление модуля постоянному току.
  • COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, отношение мощности охлаждения к электрической мощности, потребляемой модулем. Т.е. подобие кпд. Обычно 0.3-0.5.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

  • Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:
    • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
    • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
    • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
  • Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
  • Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
  • Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
  • К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
  • Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
  • Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
  • Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
  • Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
  • Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.
Читайте также:  Кузовной ремонт заднего крыла автомобиля

Мною был разработан контроллер элемента Пельтье для холодильника, удовлетворяющим всем этим требованиям. Он:

  • Вырабатывает питание для элемента Пельтье с пульсациями не более 2%.
  • Стабилизирует на модуле электрическую мощность, т.е. произведение тока на напряжение.
  • Обеспечивает плавное включение модуля.
  • Регулировка температуры происходит по принципу аналогового регулирования, т.е. плавного изменения мощности на элементе пельтье.
  • Контроллер разработан для холодильника, поэтому математика регуляторов учитывает инерционность охлаждения воздуха в камере.
  • Обеспечивает контроль температуры горячей стороны модуля и управление вентилятором.
  • Имеет высокий кпд, широкие функциональные возможности.

Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706.

Это самый распространенный тип элемента Пельтье. Используется во многих бытовых приборах. Не дорогой, с неплохими параметрами. Хороший вариант для изготовления маломощных холодильников, охладителей воды и т.п.

Характеристики модуля TEC1-12706 привожу в переводе на русский из документации TEC1-12706.pdf компании производителя – HB Corporation.

Технические параметры TEC1-12706.

Обозначение Параметр Значение, при температуре горячей стороны
25 °C 50 °C
Qmax Холодопроизводительность 50 Вт 57 Вт
Delta Tmax Разность температур 66 °C 75 °C
Imax Максимальный ток 6.4 А 6.4 А
Umax Максимальное напряжение 14.4 В 16.4 В
Resistance Сопротивление 1.98 Ом 2.3 Ом

Графические характеристики.

Габаритный чертеж модуля TEC1-12706.

Обозначение Размер
A 40 мм
B 40 мм
C 3.8 мм

Рекомендации по эксплуатации.

  • Максимально – допустимая температура 138 °C.
  • Не допустимо превышение значения параметров Imax и Umax.
  • Срок службы 200 000 часов.
  • Параметр частота отказов основан на длительных испытаниях с выборкой 0.2%.
  • Производитель — HB Corporation.

Пример разработки на элементе Пельтье — холодильник для вина.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Холодильное оборудование и комплексы для охлаждения воздуха являются неотъемлемыми элементами повседневной жизни. Однако стандартные объемные конструкции на базе хладагентов нецелесообразны для мобильного применения, к примеру, в сумках-холодильниках. В таких случаях используются приборы, основанные на работе эффекта Пельтье, о котором мы детально расскажем в данном материале.

В основе элемента Пельтье или термоэлектрического охладителя лежит термопара из двух элементов с p- и n- типом проводимости, которые соединяются коммутационной медной пластиной. Детали в большинстве случаев изготовляются из висмута, теллура, сурьмы и селена. Такие устройства применяются в системах охлаждения бытового применения, также они имеют свойство вырабатывать энергию.

Что это такое?

Явление и термин Пельтье предполагают открытие, сделанное в 1834 году французским ученым Жаном-Шарлем Пельтье. Суть открытия состоит в том, что постоянно выделяется или поглощается тепло на участке, где происходит контакт двух разнонаправленных проводников, по которым течет электроток.

Классическая теория объясняет данное явление таким образом: при помощи электротока между металлами переносятся электроны, ускоряющиеся или замедляющиеся, в зависимости от контактной разности потенциалов на проводниках из металла с разным уровнем проводимости. Элементы Пельтье таким образом способствуют превращению кинетической энергии в тепловую.

На втором проводнике происходит обратный эффект, где необходимо пополнение энергии на основании фундаментального закона физики. Происходит такая ситуация благодаря процессу теплового колебания, в результате которого металл второго проводника охлаждается.

При помощи современных технологий можно изготовить модуль Пельтье с максимальным термоэлектрическим эффектом.

Устройство и принцип работы

Современные модули Пельтье являют собой конструкцию, в которой присутствуют две пластины-изолятора, а между ними в строгой последовательности соединены термопары. Стандартная схема данного элемента для лучшего понимания его функционирования приведена на рисунке.

Обозначения элементов конструкции:

  • А – контакты, при помощи которых осуществляется подсоединение к источнику питания;
  • В — горячая поверхность;
  • С — холодная сторона;
  • D – проводники из меди;
  • E – полупроводник р-перехода;
  • F – полупроводник типа n.

Элемент изготовляется так, что обе поверхности находятся в контакте с p-n или n-p переходами, исходя из полярности. Контакты p-n нагреваются, а n-p температура снижается. В результате на концах элемента появляется разница температур DT. Такой эффект означает, что тепловая энергия, которая перемещается между элементами модуля, регулирует температурный режим в зависимости от полярности. Также следует отметить, что в случае изменения полярности меняются горячая и холодная поверхности.

Технические характеристики

Технические параметры элемента Пельтье предполагают такие значения:

  • холодопроизводительность (Qmax) – рассчитывается на базе предельного тока и разницы температурного режима между концами модуля. Единица измерения – Ватт;
  • предельная температурная разница (DTmax) – измеряется в градусах, данная характеристика приводится для оптимальных условий;
  • Imax – предельная сила электротока, требуемая для обеспечения большей разницы температуры;
  • предельное напряжение Umax, которое требуется для электротока Imax для достижения максимальной температурной разницы DTmax;
  • Resistance – внутреннее сопротивление устройства, измеряется в Омах;
  • СОР – коэффициент эффективности или КПД модуля Пельтье, который отражает соотношение охлаждающей и потребляемой мощностей. В зависимости от особенностей устройства, для недорогих устройств показатель находится в пределах 0,3-0,35, для более дорогих моделей он варьируется до 0,5.

Преимуществами мобильного элемента Пельтье являются небольшие габариты, обратимость процесса, а также возможность использования в качестве переносного электрогенератора или холодильника.

Читайте также:  Греющая пленка на стекло - что это и как работает

Недостатками модуля являются дороговизна, невысокий КПД в рамках 3%, большие затраты электроэнергии и необходимость постоянного поддержания разницы температурных режимов.

Применение

Даже учитывая невысокий коэффициент эффективности, пластины в модуле Пельтье широко применяются в измерительных, вычислительных приборах, а также в переносной бытовой технике. Приведем перечень устройств, в которых модели являются неотъемлемой частью:

  • переносные холодильные устройства;
  • небольшие генераторы электричества;
  • комплексы охлаждения в ПК и ноутбуках;
  • кулеры для подогрева и охлаждения питьевой воды;
  • осушители воздуха.

Как подключить

Подключить модуль Пельтье можно самостоятельно, это не потребует много времени и усилий. На контакты выходов требуется подать постоянное напряжение, которое указано в инструкции по эксплуатации прибора. Красный провод подсоединяется к плюсу, а черный – к минусу. Обратите внимание, что при изменении полярности поменяются местами нагреваемая и охлаждаемая поверхности.

Перед подключением рекомендуется проверить работоспособность элемента. Одним из простых и надежных способов, как проверить устройство, является тактильный метод: для этого необходимо подсоединить устройство к источнику электротока и прикоснуться к разным контактам. У нормально функционирующего устройства одни контакты будут теплыми, а другие – охлажденными.

Также можно выполнить проверку при помощи мультиметра и зажигалки. Для этого нужно подсоединить щупы в контактам устройства, поднести зажигалку к одной стороне и наблюдать за показаниями мультиметра. Если элемент Пельтье работает в стандартном режиме, в процессе нагрева на одной стороне будет вырабатываться электроток, а данные о напряжении отобразятся на экране мультиметра.

Как сделать элемент пельтье своими руками

Элемент Пельтье нецелесообразно изготовлять в домашних условиях в связи с небольшой стоимостью и необходимостью специальных знаний для создания работоспособного элемента. Однако своими руками можно собрать эффективный мобильный термоэлектрический генератор, который пригодится на даче или в туристическом походе.

С целью стабилизации электрического напряжения потребуется собрать самостоятельно стандартный преобразователь на микросхеме ИМС L6920. На вход устройства необходимо подать напряжение 0,8-5,5 В, а на выходе он будет выдавать 5 В, этого значения достаточно для зарядки аккумулятора мобильных устройств в стандартном режиме. Если применяется стандартное электронное устройство Пельтье, тогда потребуется ограничение предельного значения температуры нагреваемой поверхности до 150 градусов. Для простоты контроля температуры целесообразно применять котелок с кипящей водой, тогда модель не будет нагреваться свыше 100 градусов.

Пластины Пельтье широко используются с целью охлаждения современной бытовой техники, в кондиционерах, эффективность устройства доказали в частности для стабилизации теплового режима и охлаждения мощного процессора. На основе элемента Пельтье часто изготовляются в домашних условиях эффективные мобильные холодильники для дачи или автомобиля, питания радиатора. В силу обратимости процесса, самодельные элементы используются в роли мобильных небольших электростанций в местностях без источника электроэнергии.

Что такое элемент Пельтье? Термоэлектрический модуль

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.

Читайте также:  Как открыть дверь без ключа способы взламывания входной конструкции, открывание пластиковых изделий

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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector