Термоэлектрические модули элементы пельтье. Что такое элемент Пельтье? Термоэлектрический модуль

Начало 19 столетия. Золотой век физики и электротехники. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла.

О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики - термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.

Проблема охлаждения тогда не была такой острой, как сегодня. Поэтому к эффекту Пельтье обратились только спустя почти два столетия, когда появились электронные устройства, для работы которых потребовались миниатюрные системы охлаждения. Достоинством охлаждающих элементов Пельтье являются малые габариты, отсутствие движущихся деталей, возможность каскадного соединения для получения больших перепадов температур.

Кроме этого, эффект Пельтье обратим: при перемене полярности тока через модуль, охлаждение сменяется нагреванием, поэтому на нем легко реализуются системы точного поддержания температуры - термостаты . Недостатком элементов (модулей) Пельтье является низкий КПД, что требует подведения больших значений тока для получения заметного перепада температур. Сложность представляет и отвод тепла от пластины, противоположной охлаждаемой плоскости.

Но обо всем по-порядку. Для начала попытаемся рассмотреть физические процессы, ответственные за наблюдаемое явление. Не погружаясь в пучину математических выкладок, постараемся просто на «пальцах» понять природу этого интересного физического явления.

Поскольку речь идет о температурных явлениях, физики, для удобства математического описания, заменяют колебания атомной решетки материала неким газом, состоящим из как бы частиц - фононов.

Температура фононного газа зависит от температуры окружающей среды и свойств металла. Тогда любой металл - это смесь электронного и фононного газов, находящихся в термодинамическом равновесии.При контакте двух разных металлов в отсутствии внешнего поля более “горячий” электронный газ проникает в зону более “холодного”, создавая известную всем контактную разность потенциалов.

При прикладывании разности потенциалов к переходу, т.е. протекании тока через границу двух металлов, электроны забирают энергию у фононов одного металла и передают ее фононному газу другого. При смене полярности передача энергии, а значит, нагрев и охлаждение меняют знак.

В полупроводниках за перенос энергии отвечают электроны и “дырки”, но механизм переноса тепла и появления разности температур сохраняется. Разность температур увеличивается до тех пор, пока не истощатся высокоэнергетичные электроны. Наступает температурное равновесие. Такова современная картина описания эффекта Пельтье .

Из нее понятно, что эффективность работы элемента Пельтье зависит от подбора пары материалов, силы тока и скорости отвода тепла от горячей зоны. Для современных материалов (как правило, это полупроводники) КПД составляет 5-8%.

А теперь о практическом применении эффекта Пельтье. Для его увеличения отдельные термопары (спаи двух различных материалов) собираются в группы, состоящие из десятков и сотен элементов. Основное назначение таких модулей - это охлаждение небольших объектов или микросхем.

Термоэлектрический охлаждающий модуль

Широкое применение модули на эффекте Пельтье нашли в приборах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Микросхемы с зарядовой связью (ПЗС), которые сегодня применяют и в цифровых фотоаппаратах, требуют глубокого охлаждения для регистрации изображения в инфракрасной области. Модули Пельтье охлаждают инфракрасные детекторы в телескопах, активные элементы лазеров для стабилизации частоты излучения, в системах точного времени. Но это все применения военного и специального назначения.

С недавних пор модули Пельтье нашли применение и в бытовых изделиях. Преимущественно, в автомобильной технике: кондиционеры, переносные холодильники, охладители воды.

Пример практического использования эффекта Пельтье

Наиболее интересным и перспективным применением модулей является компьютерная техника. Высокопроизводительные микропроцессоры процессоры и чипы видеокарт выделяют большое количество тепла. Для их охлаждения применяют высокоскоростные вентиляторы, которые создают значительные акустические шумы. Применение модулей Пельтье в составе комбинированных систем охлаждения устраняют шум при значительном отборе тепла.

Компактный USB-холодильник с использованием модулей Пельтье

И, наконец, закономерный вопрос: заменят ли модули Пельтье привычные системы охлаждения в компрессионных бытовых холодильниках? На сегодняшний день это невыгодно с точки зрения эффективности (малый КПД) и цены. Стоимость мощных модулей еще достаточно высока.

Но техника и материаловедение не стоят на месте. Исключить возможность появления новых, более дешевых материалов с большим КПД и высоким значением коэффициентом Пельтье нельзя. Уже сегодня появляются сообщения из исследовательских лабораторий об удивительных свойствах наноуглеродных материалов, которые радикально смогут изменить ситуацию с эффективными системами охлаждения.

Появились сообщения о высокой термоэлектрической эффективности кластратов - твердотельных растворов, похожих по строению на гидраты. Когда эти материалы выйдут из исследовательских лабораторий, то совершенно бесшумные холодильники с неограниченным сроком службы заменят наши привычные домашние модели.

P.S. Одной из самых интересных особенностей термоэлектрической технологии является то, что она может не только использовать электрическую энергию для получения тепла и холода, но также благодаря ей можно запустить обратный процесс, и, например, из тепла получить электрическую энергию .

Пример того, как можно получить электроэнергию из тепла с использованием термоэлектрического модуля () смотрите на этом видео:

А что Вы думаете по этому поводу? Жду Ваших комментариев!

Андрей Повный

Чуть чуть теории.

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.

Практика.

Элементы Пельте широко используются в системах охлаждения. Но не многие знают об их другом свойстве – вырабатывать энергию. Изучению этих их возможностей и посвящена данная лабораторная работа.

50*50 мм элемент, установлен между двумя алюминиевыми брусками. Предварительно их поверхности притёрты и смазаны пастой КПТ. В одном из брусков просверлены сквозные отверстия, через которые пропущена медная трубка, для водяного охлаждения. Вот, что получилось:

Подключаем воду к охладителю к одной стороне элемента Пельтье , а другую ставим на конфорку. К выходу элемента подключаем 10Вт 6 вольтовою лампочку. Результат - наш генератор работает!

Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта.

Нагрев до 160 градусов оказался не оптималенлен, при 120 градусах результат был хуже всего на 10%.

Температура охлаждающей жидкости на выходе десять градусов, на входе на один градус меньше. Судя по таким результатам, вода, для охлаждения, не так уж необходима…

При помощи элементов Пельтье можно добывать электричество в экспедиции, в турпоходе, на охотничьем зимовье, словом в любом месте, где это может понадобиться. Естественно, при наличии дров или яркого солнца, ну и обязательно смекалки.

Использование термоэлектрического модуля.

Такой термоэлектрический генератор прекрасно помнят те, кто помнит советские совхозы и колхозы. Говорят, в войну немцы не могли понять, как партизаны могут подолгу вести радиопередачи из осажденного леса.

Да, как говорится - если бы нашим ученым платили деньги, то они бы iphone ещё в `85 изобрели бы! :-)

Термоэлектрический холодильник

Термоэлектрический холодильник (вариант 2)

Термоэлектрический холодильник (вариант 3)

Автомобильный охладитель для баночных напитков

Кулер для питьевой воды

Термоэлектрический кондиционер для кабины КАМАЗа

В такой "ковшик" наливается вода, ставится на огонь и, пожалуйста, подзаряжай мобильник. Весь секрет в дне, там "зарыт" Пельтье

Давайте поподробней об этой конструкции.

В настоящее время растет интерес к использованию термоэлектрических генераторных модулей в бытовых устройствах. В первую очередь это касается возможности питания маломощных потребителей электроэнергии - радиоприемники, сотовые и спутниковые телефоны, переносные компьютеры, устройства автоматики и т.п. от имеющихся источников тепла. Термоэлектрический генератор, в котором отсутствуют вращающиеся, трущиеся и какие-либо другие изнашиваемые части, позволяет непосредственно получать электричество из любого источника тепла: выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, горячей воды геотермальных источников, "бросового" тепла ТЭЦ и т.п. Руководствуясь опытом, полученным при создании промышленных термоэлектрических генераторов (ТЭГ) различной мощности - от нескольких Ватт до нескольких килоВатт ИПФ КРИОТЕРМ приступила к серийному производству бытового ТЭГ номинальной мощностью 8 Вт. Конструктивно генератор выполнен в виде алюминиевого ковшика с внутренним объемом около 1 л в донной части которого установлены генераторные модули производства ИПФ Криотерм.

Необходимый для работы генератора перепад температур достигается при разогреве ковшика, например, пламенем костра. Вода, нагреваемая внутри ковшика может идти на приготовление пищи или на другие цели. Данный генератор в первую очередь предназначен для использования в глухих, труднодоступных местах для подзарядки элементов питания индивидуальных средств связи и навигации, освещения и т.п. Он незаменим для охотников, туристов, моряков, сотрудников спасательных и специальных служб, вынужденных долгое время находится вдали от источников центрального энергоснабжения.

Преимуществом генератора является малый вес и объем, высокая удельная генерируемая мощность, функциональность и высокая надежность. Конструкция генератора исключает возможность его перегрева при правильном использовании. В качестве дополнительной опции к генератору предлагается ступенчатый стабилизатор напряжения с диапазонами 3 В - 6 В - 9В -12В и переходники для зарядных устройств.

БЫТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 1TG-8

Техническая спецификация

Масса без жидкости, кг, не более0,55

Габаритные размеры, мм

без ручки250х130х110 ? 123, h=100

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 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

Преимущества ТЭМ:

• 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. 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.