Элемент Пельтье: характеристики, принцип работы и применение

Холодильное оборудование настолько прочно вошло в нашу жизнь, что даже трудно представить, как можно было без него обходиться. Но классические конструкции на хладагентах не подходят для мобильного использования, например, в качестве походной сумки-холодильника.

Сумка-холодильник на элементах Пельтье, нет компрессора, не нуждается во фреоне или других хладагентах

Для этой цели используются установки, в которых принцип работы построен на эффекте Пельтье. Кратко расскажем об этом явлении.

Что это такое?

Под данным термином подразумевают термоэлектрическое явление, открытое в 2019 году французским естествоиспытателем Жаном-Шарлем Пельтье. Суть эффекта заключается в выделении или поглощении тепла в зоне, где контактируют разнородные проводники, по которым проходит электрический ток.

В соответствии с классической теорией существует следующее объяснение явления: электрический ток переносит между металлами электроны, которые могут ускорять или замедлять свое движение, в зависимости от контактной разности потенциалов в проводниках, сделанных из различных материалов. Соответственно, при увеличении кинетической энергии, происходит ее превращение в тепловую.

На втором проводнике наблюдается обратный процесс, требующий пополнения энергии, в соответствии с фундаментальным законом физики. Это происходит за счет теплового колебания, что вызывает охлаждение металла, из которого изготовлен второй проводник.

Современные технологии позволяют изготовить полупроводниковые элементы-модули с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.

Устройство и принцип работы

Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.

Устройство модульного элемента Пельтье

Обозначения:

  • А – контакты для подключения к источнику питания;
  • B – горячая поверхность элемента;
  • С – холодная сторона;
  • D – медные проводники;
  • E – полупроводник на основе р-перехода;
  • F – полупроводник n-типа.

Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.

Рис. 3. А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

  • холодопроизводительностью (Qmax), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
  • максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DTmax), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения – градусы;
  • допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – Imax;
  • максимальным напряжением Umax, необходимым для тока Imax, чтобы достигнуть пиковой разницы DTmax;
  • внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
  • коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского – coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.

Маркировка

Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.

Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706

Маркировка разбивается на три значащих группы:

  1. Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
  2. Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
  3. Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.

Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

Применение

Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:

  • мобильных холодильных установок;
  • небольших генераторов для выработки электричества;
  • систем охлаждения в персональных компьютерах;
  • кулеры для охлаждения и нагрева воды;
  • осушители воздуха и т.д.

Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.

Холодильник на элементах Пельтье

Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:

  • простота конструкции;
  • устойчивость к вибрации;
  • отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
  • низкий уровень шума;
  • небольшие габариты;
  • возможность работы в любом положении;
  • длительный срок службы;
  • небольшое потребление энергии.

Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.

Термоэлектрический автохолодильник установленный в салоне автомобиля

Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.

Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.

Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее,  термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.

Термоэлектрический генератор B25-12 (М) на 12 вольт, мощностью 25 ватт

Для охлаждения процессора

Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.

Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.

Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.

Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.

Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.

Термоэлектрический кулер Армада

Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.

Кондиционер на элементах Пельтье

Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело – охладить небольшой объем холодильной камеры, другое – помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.

Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.

В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.

Для охлаждения воды

Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:

  • вода не охлаждается ниже 10-12°С;
  • на охлаждение требуется дольше времени, чем компрессорному аналогу, следовательно, такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством работников;
  • устройство чувствительно к внешней температуре, в теплом помещении вода не будет охлаждаться до минимальной температуры;
  • не рекомендуется установка в запыленных комнатах, поскольку может забиться вентилятор и охлаждающий модуль выйдет из строя.

Настольный кулер для воды с использованием элемента Пельтье

Осушитель воздуха на элементах Пельтье

В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.

Простой и недорогой китайский осушитель воздуха на элементах Пельтье

Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.

Как подключить?

С подключением модуля проблем не возникнет, на провода выходов необходимо подать постоянное напряжение, его величина указанна в даташит элемента. Красный провод необходимо подключить к плюсу, черный – к минусу. Внимание! Смена полярности меняет местами охлаждаемую и нагреваемую поверхности.

Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?

Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к соответствующему источнику напряжения и дотронуться до его разных сторон. У работоспособного элемента одна из них будет теплее, другая – холоднее.

Если подходящего источника под рукой нет, потребуется мультиметр и зажигалка. Процесс проверки довольно прост:

  1. подключаем щупы к выводам модуля;
  2. подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
  3. наблюдаем за показаниями прибора.

В рабочем модуле при нагреве одной из сторон генерируется электрический ток, что отобразится на табло прибора.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Сделать самодельный модуль в домашних условиях практически невозможно, тем более в этом нет смысла, учитывая их относительно невысокую стоимость (порядка $4-$10). Но можно собрать устройство, которое будет полезным в походе, например, термоэлектрический генератор.

Схема подключения самодельного термогенератора

Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.

Принципиальная схема преобразователя напряжения

На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °С.

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.
  • Применение.
  • Достоинства и недостатки.
  • Параметры элементов Пельтье.
  • Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.
  • Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706. Параметры, характеристики.

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.

Недостатки:

  • 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 2019 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.

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.

Автор публикации


56

Комментарии: 1303Публикации: 147Регистрация: 13-12-2015

В 2019 году французский учёный-физик Жан Шарль Пельтье, исследуя воздействие электричества на проводники, обнаружил очень интересный эффект. Если пропускать ток через два разнородных проводника, находящихся в непосредственной близости друг от друга, то один из этих проводников начинает сильно греться, а второй, наоборот, сильно охлаждаться. Количество выделяемого и поглощаемого тепла, напрямую зависит от силы и направления электрического тока. Если поменять направление тока, то поменяются местами холодная и горячая стороны. Чуть позже этот феномен получил название эффекта Пельтье и был благополучно забыт из-за практической невостребованности на тот момент.

И лишь спустя сто с лишним лет, с расцветом полупроводниковой эры, появилась настоятельная необходимость в компактных, недорогих и эффективных охладителях. Так, в 60х годах 20 века появились первые полупроводниковые термоэлектрические модули, которые получили название элементы Пельтье.

Термоэлемент Пельтье

В основе любого термоэлектрического модуля лежит тот факт, что разные проводники имеют разные уровни энергии электронов. Иными словами, один проводник можно представить как высокоэнергетическую область, второй проводник, как низкоэнергетическую область. При контакте двух токопроводящих материалов, во время пропускания через них электрического тока, электрону из низкоэнергетической области необходимо перейти в высокоэнергетическую область.

Этого не произойдет, если электрон не приобретёт необходимое количество энергии. В момент поглощения этой энергии электроном, происходит охлаждение места контакта двух проводников. Если поменять направление протекания тока, возникнет, наоборот, эффект нагревания места контакта.

Можно использовать любые проводники, но этот эффект становится физически заметным и значимым только в случае использования полупроводников. Например, при контактировании металлов, эффект Пельтье настолько незначителен, что практически незаметен на фоне омического нагрева.

Устройство модуля

Термоэлектрический модуль (ТЭМ), независимо от своего размера и места применения состоит из разного количества, так называемых термопар. Термопара — это тот самый кирпичик, из которых строится любой ТЭМ. Она состоит из двух полупроводников различающихся типом проводимости. Как известно, существуют два типа проводимости p и n типа. Соответственно существует и два типа полупроводников. Два этих разнородных элемента соединяются в термопаре с помощью медного мостика. В качестве полупроводников применяют соли таких металлов, как висмут, теллур, селен или сурьма.

ТЭМ — совокупность подобных термопар, соединённых друг с другом последовательно. Все термопары располагаются между двух керамических пластин. Пластина Пельтье. Пластины изготовлены из нитрида или оксида алюминия. Непосредственно само количество термопар в одном элементе может варьировать в очень широких пределах, от нескольких штук, до нескольких сотен или тысяч.

Иными словами, элементы Пельтье могут быть абсолютно любой мощности, от сотых долей, до нескольких сот или тысяч ватт. Постоянный ток последовательно проходит через все термопары и в результате верхняя керамическая пластина охлаждается, а нижняя, наоборот, греется. Если поменять направление тока, то пластины поменяются местами, верхняя начнёт греться, а нижняя охлаждаться.

В работе элемента присутствует одна особенность, которую активно используют для усиления охлаждающей эффективности этого приспособления. Как известно, при пропускании тока через элемент Пельтье возникает разность температур между поверхностью, разогревающейся и поверхностью охлаждающейся. Так вот, если ту поверхность, что активно нагревается подвергнуть принудительному охлаждению. Например, с помощью специального кулера, то это приведёт к ещё более сильному охлаждению поверхности, то есть той, что охлаждается. При этом разница температур с окружающим воздухом может достигнуть нескольких десятков градусов.

Достоинства и недостатки

Как у любого технического устройства, у термоэлектрического модуля есть свои достоинства и свои недостатки:

  • Небольшие размеры. А если быть, точнее, ТЭМ может быть любого размера, от микроскопического, до гигантского.
  • Отсутствие в конструкции движущихся элементов, что делает устройство абсолютно бесшумным в работе.
  • Отсутствие в конструкции жидкостных или газовых наполнителей, что делает устройство предельно простым как в устройстве, так и в работе.
  • В зависимости от направления тока, ТЭМ может быть как охлаждающим элементом, так и нагревающим.
  • Основным недостатком ТЭМа является его низкий коэффициент полезного действия, по сравнению с холодильными установками компрессорного типа, работающими на фреоне.

Проблема повышения КПД у ТЭМов упирается в неразрешимую пока, техническую головоломку. Свободные электроны обладают, по сути, двойной природой, что на практике проявляется и они одновременно являются переносчиками как электрического тока, так и тепловой энергии. Как следствие, высокоэффективный элемент Пельтье должен быть изготовлен из материала, обладающего одновременно двумя взаимоисключающими свойствами. Материал этот должен хорошо проводить электрический ток и плохо проводить тепло. Пока такого материала не существует в природе, но учёные активно работают в этом направлении.

Технические характеристики

Все термоэлектрические модули обладают соответствующими техническими характеристиками:

  • Qmax — холодопроизводительность. Она вычисляется исходя из максимально допустимого тока и разности температур между противоположными поверхностями. Величина измеряется в Ваттах.
  • DTmax — максимальный температурный перепад между поверхностями элемента. Измеряется в градусах.
  • Imax — допустимая сила тока, которая необходима для возникновения максимального температурного перепада.
  • Umax — максимально допустимое напряжение.
  • Resistence — внутреннее сопротивление устройства.
  • COP (coefficient of perfomance) — коэффициент эффективности. Это и есть КПД элемента. Показывает отношение охлаждающей мощности, к потребляемой. У самых продвинутых моделей этот коэффициент чуть не дотягивает до 0.5. У более простых не превышает 0.2—0.3.

Применение ТЭМов

Несмотря на серьёзный недостаток присущий всем без исключения элементам Пельтье, а именно очень низкий КПД, эти устройства нашли довольно широкое применение как в науке и технике, так и в быту.

Термоэлектрические модули являются важными элементами конструкции таких устройств, как:

  • Мобильные холодильники. В частности, автохолодильники.
  • Переносные термогенераторы. Для получения электроэнергии в труднодоступных местах.
  • Системы охлаждения в современных компьютерах.
  • Автомобильные кондиционеры.
  • Кулеры как для охлаждения, так и для нагрева воды.
  • Осушители воздуха.
  • Лабораторные охлаждающие инкубаторы.

Элемент Пельтье в руках домашнего мастера

Нужно сразу оговориться, самостоятельное изготавливание термоэлектрического элемента занятие по меньшей мере бессмысленное и никому не нужное. Если только изготавливающий не является учеником седьмого класса и не закрепляет таким образом, полученные на уроках физики, знания.

Гораздо проще купить новый термоэлектрический элемент в соответствующем магазине. Благо стоят они недорого и недостатка в выборе конкретной модели не наблюдается. А кроме того, что в них нечему ломаться или изнашиваться, любой термоэлемент, снятый со старого компьютера или автомобильного кондиционера, не будет отличаться по своим техническим характеристикам от нового.

Наибольшей популярностью пользуется модель термоэлемента: TEC1—12706. Размеры этого устройства 40 на 40 миллиметров. Состоит он из 127 термопар, соединённых между собою последовательно. Рассчитан на ток в 5 А, при напряжении цепи 12 В. Стоит такой элемент в среднем от 200 до 300 рублей. Но можно найти и за сто, или, вообще, за так, если снять со старого компьютера или какого другого ненужного устройства.

Изготовить с помощью такого элемента можно, как минимум два очень интересных и полезных в хозяйстве устройства.

Как сделать холодильник своими руками

Производство портативных холодильников, в частности, для машин целиком основано на эффекте Пельтье. Для изготовления подобного устройства в домашних условиях понадобиться:

  • Термоэлемент марки TEC1—12706. Стоит 200 рублей в ближайшем магазине (специализированном).
  • Радиатор и вентилятор. Снимаются с отслужившего своё старого компьютера.
  • Контейнер. Любая ненужная ёмкость из пластика, металла или дерева. Снаружи и изнутри такая ёмкость оклеивается теплосберегающими пластинами из пенопласта или пенополистирола.

Термоэлектрический модуль встраивается в крышку контейнера. В этом случае поступление холода будет происходит сверху вниз, что приведёт к равномерному охлаждению ёмкости. Изнутри контейнера, в его крышку с помощью термопасты и крепёжных болтов прикрепляют радиатор.

Для того чтобы увеличить мощность будущего холодильного устройства, можно увеличить количество термоэлементов, до двух-трёх и более. В этом случае модули приклеиваются друг к другу, с соблюдением полярности. Иными словами, горячая сторона нижележащего элемента контактирует с холодной стороной вышележащего.

Снаружи на крышку крепится ещё один радиатор вместе с компьютерным кулером. В месте крепежа радиаторов должна быть хорошая термоизоляция между холодной — внутренней и горячей — внешней сторонами. Необходимо очень аккуратно стягивать верхний и нижний радиаторы крепёжными болтами, чтобы не треснули керамические пластины, располагающихся между ними термоэлементов.

Электричество подключается с помощью блока питания, который можно взять от старого компьютера.

Портативный термоэлектрогенератор

Такая мини-электростанция может очень выручить туриста или охотника, когда в лесу сядут батареи всех электронных гаджетов. Очень романтично в этой ситуации взять несколько сухих щепок и шишек, развести небольшой костерок и с его помощью зарядить разряженные аккумуляторы, а заодно и поесть приготовить. Именно это позволяет сделать портативный термогенератор, построенный на термоэлементе.

Для постройки этого чудо-девайса необходимо наличие портативной походной печки, работающей на любом виде топлива. В крайнем случае сгодится даже небольшая свечка или таблетка сухого спирта.

В печке разводят огонь, а снаружи с помощью термопасты к ней крепится термоэлектрический модуль. Посредством проводов он подключается к преобразователю напряжения.

Величина получаемого тока напрямую будет зависеть от разницы температур между холодной и горячей сторонами термоэлемента. Для эффективной работы необходима разница между холодной и горячей поверхностью как минимум в 100 градусов.

В этом случае необходимо понимать, что максимальная температура ограничена температурой плавления припоя, с помощью которого изготовлен сам модуль. Поэтому для подобных устройств используют специальные термомодули, которые изготавливают с помощью специального тугоплавкого припоя. В обычных модулях температура плавления припоя составляет 150 градусов. В модулях тугоплавких, припой начинает плавиться при температуре 300 градусов.

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.

  • Принцип работы элемента Пельтье
  • Как работает элемент Пельтье
  • Основные эксплуатационные характеристики элемента Пельтье
  • Достоинства и недостатки модуля Пельтье
  • Область применения элементов Пельтье

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.

Опрос: Понятно ли что такое и как устроен Элемент Пельтье (Кол-во голосов: 3)

Да, понял с первого раза

Пришлось перечитать несколько раз, чтобы понять

Нет, не понял вообще

Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа.
Результаты

Область применения элементов Пельтье

Основной и наиболее широким применением термоэлектрические преобразователи нашли в следующих приборах, аппаратах и устройствах:

  • автохолодильники и бытовые аппараты;
  • водо- и воздухоохладители;
  • в электронных приборах и устройствах также в качестве охлаждения;
  • в генераторах электротермических.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.