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.

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 1834 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.

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 (Q max), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DT max), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения – градусы;
допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – I max ;
максимальным напряжением U max , необходимым для тока I max , чтобы достигнуть пиковой разницы DT max ;
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:

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.
Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
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.

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.

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.

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.

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:

подключаем щупы к выводам модуля;
подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
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.

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

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 специальный термоэлектрический преобразователь, который работает по одноименному принципу Пельтье – возникновении разности температур во время подачи электрического тока. В английском языке чаще всего упоминается как ТЕС, что в переводе означает термоэлектрический охладитель.

Как работает элемент Пельтье

Работа элемента Пельтье базируется на контакте двух токопроводящих материалов, которые обладают разным уровнем энергии электронов в зоне проводимости. При подаче электрического тока через подобную связь, электрон приобретает высокую энергию , чтобы потом перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. В момент поглощения этой энергии осуществляется охлаждение места охлаждения проводников. Если же ток протекает в обратном направлении – то это приводит к нагреванию места контакта и к обычному тепловому эффекту.

Если с одной стороны сделать хороший отвод тепла, например, при использовании радиаторных систем, то холодная сторона сможет обеспечить очень низкую температуру, которая на десятки градусов будет ниже температуры окружающего мира. Величина тока пропорциональна степени охлаждения. Если же сменить полярность электрического тока, то стороны (тёплая и холодная) просто поменяются местами.

В контакте с металлической поверхностью элемент Пельтье становится настолько малым, что его практически невозможно заметить на фоне омического нагрева и других эффектов теплопроводности. Именно поэтому на практике применяется два полупроводника.

Количество термопар может быть самым разнообразным – от 1 до 100 , за счёт чего можно сделать элемент Пельтье практически с любыми показателями холодильных мощностей.

Практическое применение

В наше время элементы Пельтье активно применяются для:

холодильников;
кондиционеров;
автомобильных охладителей;
кулеров для воды
видеокарт ПК;

Элемент Пельтье получил широкое применение в различных холодильных системах, в том числе и среди холодильников и кондиционеров. Возможность достигать очень низких температур делает его превосходным решением для охлаждения электрических приборов или технического оборудования, подвергающегося нагреву. Сегодня разработчики применяют элементы Пельтье в акустических и звуковых системах, где они выполняют роль обычного куллера. Отсутствие интенсивных звуков делает процесс охлаждения практически бесшумным, что является прекрасным преимуществом элемента.

В наше время подобная технология пользуется большой популярностью за счёт очень мощной теплоотдачи . К тому же, современные элементы Пельтье отличаются очень компактными габаритами, а их радиаторы способны хранить нужную температуру на протяжении длительного времени. Ещё одним преимуществом элементов Пельтье является их долговечность, т.к. они состоят из цельных неподвижных элементов, что уменьшает вероятность поломок. Конструкция самого распространённого типа выглядит очень просто и включает в себя два медные проводника с контактами и соединительными проводами, также изолирующий элемент, который изготовляется из нержавеющей стали или керамических материалов.

Учитывая простоту конструкции, сделать элемент Пельтье своими руками в домашних условиях совсем несложно. Его можно будет использовать для холодильников или прочих приборов . Перед началом работ вам нужно подготовить две металлические пластины и проводку с контактами. Изначально подготовьте проводники, которые необходимо установить у основания элемента. Как правило, применяются проводники с маркировкой «РР».

Также стоит заранее позаботиться об полупроводниках на выходе. Они будут применяться для отдачи тепла на верхнюю пластину. В процессе установки задействуйте паяльник. На конечном этапе нужно присоединить два провода. Первый устанавливается у основания и прочно закрепляется возле крайнего проводника. Важно учесть, чтобы любые соприкосновения с пластиной были устранены.

Второй проводник прикрепляется у верхней части. Фиксируется он таким же образом, как и первый – к крайнему проводнику. Чтобы проверить функциональность устройства стоит применить тестер. Просто соедините два провода к прибору и проверьте вольтаж. Отклонение напряжения будет составлять где-то 23 В .

Как сделать элементы Пельтье для холодильника?

Элементы Пельтье своими руками для холодильника изготавливаются также просто и быстро. Первое, что нужно учесть перед работами, это – материал пластины. Это должна быть прочная керамика. Что касается проводников, то их нужно подготовить не меньше 20-ти штук , что позволит добиться максимального перепада температур. При правильном расчете коэффициент полезного действия может быть увеличен на 70%.

Многое зависит от мощности используемого оборудования. Если холодильник работает на основе жидкого фреона, то проблем с мощностью никогда не будет. Элемент Пельтье, который был изготовлен своими руками устанавливается непосредственно возле испарителя, который установлен вместе с мотором. Для подобного монтажа вам понадобится запастись самым стандартным набором инструментов и прокладками. Они будут применены для элемента модели от пускового реле. С помощью подобного решения охлаждение в нижней части устройства произойдёт намного быстрее.

Стоит помнить, что перед тем как сделать элемент Пельтье для холодильника своими руками, вам нужно запастись достаточным количеством электрических проводников. Для того чтобы добиться разницы в температурах при разработке элемента своими руками, используйте не меньше 16 проводов . Обязательно обеспечьте им качественную изоляцию и только тогда подключайте к компрессору. Убедившись в надёжности и безопасности связи между проводами можно переходить к их соединению. После завершения установки ещё раз проверьте силу предельного напряжения с помощью тестера. Если работа элемента была нарушена, это первым делом скажется на терморегуляторе. Иногда случается его короткое замыкание.

Помимо холодильников, элементы Пельтье активно применяются и в автомобильных охладителях. Сделать качественный автомобильный холодильник своими руками тоже достаточно просто. Для этого необходимо найти хорошую керамическую пластину с толщиной не меньше 1.1 миллиметра. Провода должны быть немодульными. В качестве проводников лучше всего использовать медные провода с пропускной способностью не меньше 4 Ампера .

В связи с этим максимальное отклонение температур будет доходить до десяти градусов, что считается нормой. В частых случаях используются проводники с маркировкой «ПР20», которые сумели отличиться максимальной надёжностью и стабильностью работы. К тому же они подходят для различных типов контактов. При соединении устройства с конденсатором стоит применить паяльник.

Как сделать элемент Пельтье для кулера питьевой воды?

Кулер питьевой воды – это очень важное и необходимое устройство, которое вовремя охлаждает или нагревает питьевую воду. Чтобы ускорить процесс охлаждения , можно применить элемент Пельтье. Сделать его можно так же просто, как и для холодильника или автомобильного охладителя:

В качестве пластины стоит использовать исключительно керамическую поверхность.
В устройстве применяется не меньше 12 проводников, которые смогут выдерживать высокое сопротивление.
Для подключения нужно использовать два провода (желательно медные). Элемент устанавливается в нижней части кулера. К тому же он может соприкасаться с крышкой устройства. Но чтобы предотвратить возможные короткие замыкания фиксируйте всю проводку на решетке либо корпусе.

Элемент Пельтье для кондиционеров своими руками

Если речь идёт об элементе Пельтье для кондиционеров, то он может быть изготовлен только из проводника «ПР12». Дело в том, что этот тип проводников отлично выдерживает аномальные температуры и способен выдавать до 23В напряжения. Сопротивление при этом должно колебаться в пределах 3 Ом. Максимальные перепады температур будут достигать 10 градусов и КПД – 65 процентов. Проводники нужно укладывать в один ряд .

Стоит отметить, что элемент Пельтье может служить в качестве охладителя для видеокарты персонального компьютера. Для изготовления охладителя нужно взять 14 проводников, желательно из меди. Чтобы подключить элемент Пельтье к видеокарте ПК нужно задействовать немодульный проводник. Само устройство монтируется рядом с встроенным кулером на видеокарте. Для закрепления можно использовать маленькие металлические уголки, а для фиксации обычные гаечки.

Если при работе замечаются какие-то интенсивные шумы и прочие неестественные звуки, стоит проверить работоспособность проводки и осмотреть каждый проводник.

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 .

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 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.

Мною был разработан 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 компании производителя – HB Corporation.

Технические параметры TEC1-12706.

Графические характеристики.

0 Рубрика: . Вы можете добавить в закладки.

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.

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.

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.

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

2 июня 2012 в 23:47

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам

DIY или Сделай сам

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье - при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая - нагревается. Это работает и в обратную сторону - если одну сторону нагревать, а другую охлаждать - вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей - есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё - КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями , так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Краткая теория

Классические «китайские» элементы Пельтье - это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В - то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье - это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В - у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) - ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С - перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице - 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию - нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С - так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется - то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие - как керамика, так и сами охлаждающие элементы - я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Пробуем

Итак, маленький элемент - 5В*2А, большой - 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея - вынести все на морозный воздух, но есть проблема - кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам - к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях - добавим килограммовую медную пластину - тепловой аккумулятор.

Результат шокирующий - те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха - -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Выкатываем тяжелую артиллерию

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда - подключаем ток - на 12В температура моментально начинает расти, при 5В - падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…

Выводы и видео на сладкое

Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах - я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов - поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом - получится жидкий азот для «бедных» - в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей - получить обморожение существенно легче.