Что такое элемент пельтье: Элемент Пельтье : описание, подключение, схема, характеристики

Содержание

Что такое элемент Пельтье, его характеристики и принцип работы | Энергофиксик

Вы, конечно, прекрасно знаете, что с помощью электрического тока возможно производить нагрев предметов, например, паяльник, чайник и т.п. А вы знаете, что с электричеством можно также и охлаждать? И я сейчас говорю не о холодильниках, где компрессором гоняется фреон, а речь идет о так называемом элементе Пельтье. В этом материале я расскажу вам об этом изделии подробно. Итак, начнем.

Содержание

Историческая справка

Как работает термоэлемент

Внутреннее устройство термоэлемента Пельтье

Недостатки и достоинства такого элемента

Маркировка изделия и ее расшифровка

Технические параметры элемента Пельтье

Область применения данных элементов

Как проверить исправность модуля Пельтье

Заключение

Историческая справка

В далеком 1834 году ученым из Франции Ж. Ш. Пельтье был открыт крайне любопытный эффект при протекании электрического тока по проводнику. Так, если через близко расположенные разнородные проводники пропускать электрический ток, то один из них сильно нагревается, а другой напротив охлаждается. И величина вырабатываемого тепла и холода прямо пропорционально связана с величиной пропускаемого тока.

Если же вектор направления тока изменить, то и стороны нагрева и охлаждения так же поменяются местами. Про это открытие, которое впоследствии назвали эффект Пельтье, на долгие годы просто напросто забыли, пока во второй половине двадцатого столетия не были произведены первые полупроводниковые элементы Пельтье.

Как работает термоэлемент

В основе абсолютно любого термоэлектрического модуля положен принцип разности уровня энергии электронов, то есть один проводящий элемент представляет из себя область с высокой проводимостью, а другой с низкой проводимостью. И если совместить такие проводники и пропустить через них ток, то электрону, чтобы пройти из низкоэнергетической области в высокоэнергетическую нужно накопить энергию. При этом та область где происходит поглощение энергии электроном начинает охлаждаться.

Если изменить полярность подключения элемента, то эффект охлаждения сменится на нагревание.

Этот эффект наблюдается у абсолютно любых элементов, но реальные следы данного явления начинают проявляться, когда используются полупроводники.

Внутреннее устройство термоэлемента Пельтье

yandex.ru

Термоэлектрический модуль (ТЭМ) реализован из N-ого числа термопар. Причем сама термопара выполнена из пары полупроводников разнородного типа, которые соединены между собой пластиной из меди.

Данные полупроводники выполнены из солей таких металлов как: теллур, висмут, селен или сурьма.

Таких термопар соединенных в последовательную цепь может быть в одном устройстве сколь угодно много. И вся эта конструкция закрывается с обеих сторон керамическими пластинами.

Так как число термопар может быть различным, то значит и мощность элемента Пельтье также может варьироваться и очень сильно.

Протекающий постоянный ток нагревает одну часть элемента (например, верхнюю), а вторую (нижнюю) наоборот охлаждает. Если сменить полярность, то нагреваемая и охлаждаемая стороны поменяются местами.

Есть одна очень любопытная особенность функционирования такого элемента. Если в процессе работы принудительно охлаждать ту сторону, что подвергается нагреву, то сторона охлаждающаяся еще больше охладится и разница температур с воздухом может быть десятки градусов.

yandex.ru

Недостатки и достоинства такого элемента

К сожалению, еще не придумано таких изделий, у которых были бы только плюсы, поэтому давайте рассмотрим положительные и отрицательные стороны элемента Пельтье.

Плюсы изделия

1. По размеру данное изделие может быть абсолютно любым.

2. В изделии нет движущихся деталей, а это значит что оно полностью бесшумно.

3. Лишь изменив полярность питания элемента нагревательная поверхность превращается в охлаждающую.

Минусы изделия

1. Единственным, но самым существенным недостатком ТЭМа считается его маленький КПД. И проблема низкого КПД заключена в том, что по своей сути электроны обладают двойной природой и переносят как заряд, так и тепловую энергию и для того, чтобы создать высокоэффективный элемент Пельтье, нужен материал с высокой проводимостью электрического тока и низкой проводимостью тепла, а такой материал пока не придуман.

Маркировка изделия и ее расшифровка

На любом элементе присутствует буквенно-циферный код, который выглядит так:

И вот как он расшифровывается:

Первые две буквы всегда «ТЕ» всегда неизменны и означают что перед нами термоэлемент.

Третья буква указывает на размерность модуля «С» — стандартный модуль, «S» — малый модуль

А первая цифра, идущая после букв, говорит о количестве слоев (каскадов) в элементе.

Далее три идущие цифры говорят о числе термопар в модуле (в данном элементе 127 пар).

Последние две цифры указывают на номинальный ток, в нашем варианте ток равен 10 Амперам.

Технические параметры элемента Пельтье

Главные параметры у элементов таковы:

— Q max – производительность холода. Данный параметр рассчитывается из максимального тока и разности температур между противолежащими обкладками модуля Пельтье.

— Imax – ток, при котором перепад температур достигает своего максимума.

— U max — предельное напряжение.

— Resistence – сопротивление внутренних элементов изделия.

— COP – это КПД нашего изделия. Данный показатель только у самых «крутых» модулей едва дотягивается до 50 %, а те элементы, которые нам могут предложить китайские производители, имеют КПД от 20% до 30%.

Область применения данных элементов

Данные термоэлектрические модули нашли свое применение в следующих областях:

Мобильные (автомобильные) холодильники.

Мобильные термогенераторы. В таких изделиях применяется обратный эффект, то есть при нагревании одной стороны элемента и охлаждении другой, происходит вырабатывание электрической энергии.

Осушители воздуха.

Лабораторные инкубаторы.

Кулеры для воды.

Как проверить исправность модуля Пельтье

Заключение

Это все, что я хотел сегодня вам рассказать об элементе Пельтье. Если вы захотели приобрести такой элемент, то покупал я его в этом магазине. В следующих статьях я расскажу о том, как собрать на основе этого элемента термогенератор, так что если вам статья понравилась, то присоединяйтесь к каналу и оцените ее лайком и репостом. Спасибо за ваше внимание!

Что такое элемент Пельтье, его характеристики и принцип работы | ASUTPP

Электричество прочно вошло в нашу жизнь и приборы, где оно выступает в качестве источника энергии, широко применяются в быту. Это разнообразные нагревательные элементы, насосы или моторы. С его помощью можно понижать температуру. Причём без использования термодинамики и свойства фреона охлаждаться при расширении.

Устройство, которое называется элемент Пельтье успешно справляется с этой задачей.

Принцип работы основан на эффекте изменения температуры у двух разных тесно соприкасающихся проводников. Если через них пропустить электрический ток, то один из них охлаждается, а другой нагревается. При смене полярности нагрев и охлаждение также меняются местами и их интенсивность напрямую зависит от силы тока. Это явление Ж. Пельтье открыл ещё в 1984 г., но только в середине 20 века, после начала широкого применения полупроводников, ему нашли практическое применение.

Принцип работы элемента Пельтье

Термоэлемент состоит из двух пластин, состоящих из разных материалов, проводимость которых отличается друг от друга. Соответственно в них разный уровень энергии электронов при одинаковой силе тока. Если эти пластины соприкасаются, то электрон с более низкой энергией должен увеличить её при переходе на более высокоэнергичную область. И пластина с такими электронами начинает охлаждаться. В другой пластине они тормозятся и излишек выделяемой энергии уходит на нагревание.

Этот эффект становится более выраженным при использовании полупроводников.

Как устроен термоэлемент?

Необходимое количество термопар собирается в термоэлектрический модуль. Каждая термопара состоит из двух разнородных полупроводников P и N, соединённых медной пластиной (на рисунке прямоугольник белого цвета). С двух сторон модуль закрывается керамическими пластинами.

Мощность элемента Пельтье зависит от количества термопар, соединённых последовательно.

Постоянный ток, протекающий через модуль, нагревает одну пластину и охлаждает другую. Если отводить тепло у нагреваемого элемента, то холодная сторона будет интенсивно терять температуру и разница с окружающей средой может достигать десятков градусов.

Достоинства и недостатки

Применение термоэлемента вытекает из его преимуществ:

Мощность и размеры модуля могут быть любыми.
Отсутствие шума при работе.
Чтобы сделать нагревательный элемент охлаждающим, достаточно поменять полярность питания.
Нет движущихся частей.
В конструкции отсутствуют газ или жидкость.

Есть и минус в использовании. Он только один – очень низкий КПД. Дело в том, что электроны переносят заряд и тепловую энергию. Поэтому в модуле должны использоваться материалы хорошо проводящие ток и одновременно с низкой теплопроводностью. Эти свойства взаимоисключающиеся. Используемые полупроводники на основе солей теллура, висмута или селена такими параметрами обладают, но в малой степени, а лучше пока ничего не создано.

Где применяются?

Если требуется мобильность или маленькие размеры для холодильника и энергетическая эффективность не так важна, элементы Пельтье – правильный выбор.

Примеры применения:

автомобильные холодильники,
кулеры для воды,
осушители воздуха,
ресторанные тележки,
приёмники в инфракрасных сенсорах,
для уменьшения теплового шума в фотографии,
охлаждение лазеров.

Маркировка и технические параметры термоэлемента

На каждом изделии присутствует ряд букв и цифр. Они означают:

1. «ТЕ» – перед нами термоэлемент.

2. «С» означает стандартный модуль. Может быть ещё «S» – малый.

3. Далее, идёт количество слоёв. В данном случае один.

4. Следующие 3 цифры указывают число термопар, в нашем примере их 127.

5. И «05» – номинальный ток. Здесь 5 ампер.

Параметры, которые характеризуют работу элемента следующие:

СОР или КПД. Максимально он достигает 50%.
RES – электрическое сопротивление.
Qmax – производительность холода.
Umax – максимальное напряжение.

Холодильное оборудование широко применяется в повседневной жизни. И если требуется мобильность или стабилизация теплового режима, то в холодильных агрегатах используется элемент Пельтье.

P.S. Еще больше информации про элемент Пельтье вы можете почитать в моей статье: https://www. asutpp.ru/chto-takoe-element-pelte-i-ego-primenenie.html

как изготовить своими руками из подручных материалов?

Элементом Пельтье принято называть преобразователь, который способен работать от разности температур. Происходит это путем протекания электрического тока по проводникам через контакты. Для этого в элементах предусмотрены специальные пластины. Тепло от одной стороны переходит в другую.

На сегодняшний день указанная технология является востребованной в первую очередь из-за значительной мощности теплоотдачи. Дополнительно устройства способны похвастаться компактностью. Радиаторы для многих моделей устанавливаются слабенькие. Связано это с тем, что тепловой поток довольно быстро остывает. В результате нужная температура поддерживается постоянно.

Подвижных частей указанный элемент не имеет. Работают устройства абсолютно бесшумно, и это является несомненным преимуществом. Также следует сказать, что эксплуатироваться они способны очень долго, а случаи поломок возникают крайне редко. Самый простой тип состоит из медных проводников с контактами и соединительными проводами. Дополнительно с охлаждающей стороны имеется изолятор. Изготовляют его, как правило, из керамики или нержавеющей стали.

Зачем нужны элементы Пельтье?

Элементы Пельтье чаще всего используются для изготовления холодильников. Обычно речь идет о компактных моделях, которые могут применяться, к примеру, автомобилистами в дороге. Однако на этом область применения устройств не подходит к концу. В последнее время элементы Пельтье активно начали устанавливать в звуковую, а также акустическую технику. Там они способны выполнять функции куллера.

В результате охлаждение усилителя устройства происходит без какого-либо шума. Для портативных компрессоров элементы Пельтье являются незаменимыми. Если говорить о научной отрасли, то ученые применяют данные устройства для охлаждения лазера. При этом можно добиться значительной стабилизации волны изучения у светодиодов.

Недостатки моделей Пельтье

Казалось бы, такое простое и эффективной устройство лишено недостатков, однако они имеются. В первую очередь специалисты сразу отметили малую пробивную способность модуля. Это говорит о том, что у человека возникнут определенные проблемы, если он захочет охладить прибор, который работает от сети с напряжением 400 В. В данном случае частично поможет решить эту проблему специальная диэлектрическая паста. Однако пробой тока все равно будет высоким и обмотка элемента Пельтье может не выдержать.

Дополнительно указанные модели не советуют применять для точной электроники. Поскольку в конструкции элемента имеются металлические пластины, то чувствительность транзисторов может нарушаться. Последним недостатком элемента Пельтье можно назвать малый коэффициент полезного действия. Достигнуть значительной разности температур указанные устройства не способны.

Модуль для регулятора

Сделать элемент Пельтье своими руками для регулятора довольно просто. Для этого следует заранее заготовить две металлические пластины, а также проводку с контактами. В первую очередь для установки готовят проводники, которые будут располагаться у основания. Обычно их закупают с маркировкой «РР».

Дополнительно для нормального контроля температуры следует предусмотреть полупроводники на выходе. Они необходимы для того, чтобы быстро отдавать тепло на верхнюю пластину. Для установки всех элементов следует использовать паяльник. Чтобы доделать элемент Пельтье своими руками, в последнюю очередь подсоединяют два провода. Первый монтируется у нижнего основания и фиксируется у крайнего проводника. Соприкосновения при этом с пластиной следует избегать.

Далее крепят второй провод у верней части. Фиксация осуществляется также к крайнему элементу. Для того чтобы проверить работоспособность устройства, применяют тестер. Для этого два провода нужно подсоединить к прибору. В результате отклонение напряжения должно составить примерно 23 В. В данной ситуации многое зависит от мощности регулятора.

Холодильники с терморезистором

Как сделать элемент Пельтье своими руками для холодильника с терморезистором? Отвечая на этот вопрос, важно отметить, что пластины для него подбираются исключительно из керамики. При этом проводников используется около 20 штук. Это необходимо для того, чтобы перепад температуры был более высоким. Повысить коэффициент полезного действия можно до 70 %. В данном случае важно рассчитать энергопотребление устройства.

Сделать это можно исходя из мощности оборудования. Холодильник на жидком фреоне в этом случае походит идеально. Непосредственно элемент Пельтье устанавливается возле испарителя, который располагается рядом с мотором. Для его монтажа потребуется стандартный набор инструментов, а также прокладки. Они необходимы для того, чтобы оградить модель от пускового реле. Таким образом, охлаждение нижней части устройства будет происходить намного быстрее.

Чтобы добиться получения разницы в температурах (эффект Пельтье) своими руками, проводников может понадобиться не менее 16 штук. Главное при этом — надежно изолировать провода, которые будут подключаться к компрессору. Для того чтобы сделать все правильно, нужно в первую очередь отсоединить осушитель холодильника. Только после этого есть возможность соединить все контакты. По завершении установки предельное напряжение следует проверить при помощи тестера. При нарушении работы элемента в первую очередь страдает терморегулятор. В некоторых случая происходит его короткое замыкание.

Модель для холодильника 15 В

Делается холодильник Пельтье своими руками с малой пропускной способностью. Крепятся модули в основном возле радиаторов. Для того чтобы надежно их закрепить, специалисты используют уголки. К фильтру элемент не должен прислоняться, и это следует учитывать.

Чтобы доделать термоэлектрический модуль Пельтье своими руками, нижнюю пластину в основном выбирают из нержавеющей стали. Проводники, как правило, применяются с маркировкой «ПР20». Нагрузку они максимум способны выдерживать на уровне 3 А. Максимальное отклонение температуры способно достигать 10 градусов. В этом случае коэффициент полезного действия может составлять 75 %.

Элементы Пельтье в холодильниках 24 В

Используя элемент Пельтье, холодильник своими руками сделать можно только из проводников с хорошей герметизацией. При этом они для охлаждения должны укладываться в три ряда. Рабочий ток в системе обязан поддерживаться на уровне 4 А.. Проверить его можно при помощи обычного тестера.

Если использовать керамические пластины для элемента, то максимального отклонения температуры можно добиться в 15 градусов. Провода к конденсатору устанавливаются только после того, как будет подложена прокладка. Закрепить ее на стенке устройства можно разными способами. Главное в данной ситуации — не использовать клей, который чувствителен к температурам свыше 30 градусов.

Элемент Пельтье для автомобильного охладителя

Чтобы сделать качественный автохолодильник своими руками, Пельтье (модуль) подбирается с пластиной, толщина которой не более 1.1 мм. Провода лучше всего использовать немодульного типа. Также для работы потребуются медные проводники. Их пропускная способность должна составлять не менее 4А.

Таким образом, максимальное температурное отклонение будет доходить до 10 градусов, это считается нормальным. Проводники чаще всего используют с маркировкой «ПР20». Они в последнее время показали себя более стабильными. Также они подходят для различных контактов. Для соединения устройства с конденсатором используют паяльник. Качественная установка возможна только на блок реле прокладку. Перепады в данном случае будут минимальными.

Как сделать элемент для кулера питьевой воды

Модуль Пельтье (элемент) своими руками делается для кулера довольно просто. Пластины для него важно подбирать только керамические. Проводников в устройстве используют не менее 12. Таким образом, сопротивление будет выдерживаться высокое. Соединение элементов стандартно осуществляется при помощи пайки. Проводов для подключения к прибору должно быть предусмотрено два. Крепиться элемент обязан в нижней части кулера. При этом с крышкой устройства он может соприкасаться. Для того чтобы исключить случаи коротких замыканий, всю проводку важно зафиксировать на решетке либо корпусе.

Кондиционеры

Модуль «Пельтье» (элемент) своими руками делается для кондиционера только с проводниками класса «ПР12». Их выбирают для этого дела в основном из-за того, что они хорошо справляются с низкими температурами. Максимум модель способна выдавать напряжение 23 В. Показатель сопротивления при этом будет находиться на уровне 3 Ом. Перепад температуры максимум достигает 10 градусов, а коэффициент полезного действия — 65 %. Укладывать проводники между листами можно только в один ряд.

Изготовление генераторов

Изготовить генератор, используя модуль Пельтье (элемент), своими руками можно. Производительность устройства поднимется в целом на 10 %. Достигается это за счет большего охлаждения мотора. Максимум нагрузка прибором выдерживается 30 А. За счет большого количества проводников сопротивление способно составлять 4 Ом. Отклонение температуры в системе равняется примерно 13 градусов. Крепится модуль непосредственно к ротору. Для этого в первую очередь следует отсоединить центральный вал. Во многих случаях статор не мешает. Чтобы обмотка ротора не нагревалась от индуктора, используют керамические пластины.

Охлаждение видеокарты на компьютере

Для охлаждения видеокарты следует подготовить не менее 14 проводников. Лучше всего подбирать медные модели. Коэффициент проводимости тепла у них довольно высокий. Для подключения устройства к плате используются провода немодульного типа. Монтируется модель возле кулера видеокарты. Для ее закрепления обычно используют маленькие металлические уголки.

Для фиксации их можно воспользоваться обычными гаечками. Появление излишнего шума при эксплуатации говорит том, что устройство работает не должным образом. В данном случае необходимо проверит целостность проводки. Также нужно осмотреть проводники.

Элемент Пельтье для кондиционера

Чтобы качественно сделать элемент Пельтье своими руками для кондиционера, пластины используют двойные. Минимальная их толщина должна составлять не менее 1 мм. В таком случае можно надеяться на температурное отклонение в 15 градусов. Производительность кондиционеров после оснащения модулей в среднем увеличивается на 20 %. Многое в данной ситуации зависит от температуры окружающей среды. Также следует учитывать стабильность напряжения от сети. При небольших помехах нагрузка устройством выдерживается примерно 4 А.

При пайке проводников их следует размещать не слишком близко друг к другу. Чтобы правильно доделать модули Пельтье своими руками, входные и выходные контакты надо устанавливать только на одну из двух пластин. В таком случае прибор получится более компактным. Грубой ошибкой в данной ситуации будет подключать модуль непосредственно к блоку. Это приведет к неминуемой поломке элемента.

Установка модуля на конденсатор

Чтобы установить модуль Пельтье своими руками, важно оценить мощность конденсатора. Если она не превышает 20 В, то элемент следует монтировать с проводниками, на которых указана маркировка «ПР30» или «ПР26». Для того чтобы закрепить модуль Пельтье (элемент) своими руками на конденсаторе, используют маленькие металлические уголки.

Лучше всего их устанавливать по четыре на каждую из сторон. По производительности конденсатор, в конечном счете, способен прибавить плюс 10 %. Если говорить о теплопотерях, то они будут незначительными. Коэффициент полезного действия прибора в среднем равняется 80 %. Для высоковольтных конденсаторов модули не рассчитаны. В данном случае не поможет даже большое количество проводников.

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам / Хабр

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…

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.

Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

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:

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.

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…

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.

Элементы Пельтье? Элементарно! — NIKOLAB

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

Обычно элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре, которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К.

Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством являются отсутствие механических частей и отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является низкий коэффициент полезного действия (50-60%), что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика. Также элементы Пельтье находят применение в инкубаторах, климатических камерах и водяных банях.

Советский элемент Пельтье

21 Апреля 2017

Советский элемент Пельтье

Сегодня наша статья посвящена удивительному экспонату – элементу Пельтье, который, несмотря на свое широкое современное применение до сих пор вызывает ощущение чуда!

Экспонаты коллекции электронных компонентов музея «Эскор» — элементы Пельтье 1980х гг. выпуска, СССР

В начале XIX века — золотого столетия для физики — французский естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье заморозил каплю воды, помещенную на стыке двух металлов, через которые был пропущен постоянный электрический ток. Тепловым действием электрического тока на проводники тогда уже было никого не удивить, а вот противоположный эффект казался сродни волшебству!

Принцип работы модуля основан на эффекте Пельтье: перенос тепла с одной стороны модуля на другую происходит при протекании через них электрического тока, в результате чего одна сторона модуля охлаждается, а другая в это же время нагревается! При этом разница температур может достигать 70 °C! Не будем вдаваться в подробное техническое описание, скажем лишь то, что модуль состоит из многих пар небольших полупроводниковых параллелепипедов —n-типа и p-типа, соединенных металлическими перемычками.

После открытия прошло уже свыше ста лет, и сегодня элементы Пельтье уже перестали быть чем-то из мира фантастики, найдя свое применение в бытовых изделиях: портативных холодильниках, настольных охладителях для пива от USB, кулерах для воды и мн. др.

Применение модулей Пельтье в бытовых изделиях

Однако самым перспективным применением элементов Пельтье является компьютерная техника. Для охлаждения высокопроизводительных микропроцессоров и чипов видеокарт, выделяющих при работе большое количество тепла, обычно применяют высокоскоростные вентиляторы, которые становятся причиной значительных акустических шумов. Применение же модулей Пельтье в составе систем охлаждения позволяет избавиться от шума, сохраняя при этом значительный отбор тепла.

Термоэлектрические элементы Пельтье также можно использовать и для получения электричества. Термоэлектрогенераторы используются как бортовые источники электропитания в космических аппаратах, исследующих удаленные от Солнца регионы Солнечной системы. В частности, генераторы, которые используют тепло плутониевых тепловыделяющих элементов, установлены на космических аппаратах «Кассини» и «Новые горизонты».

Космический аппарат «Кассини»

Космический аппарат «Новые горизонты»

В последние годы термоэлектрические генераторы получили применение в автомобильной технике для рекуперации тепловой энергии, например, для утилизации тепла элементов выхлопной системы. А геологи и туристы часто используют термоэлектрические печи-генераторы там, где отсутствует электричество.

Современные элементы Пельтье TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель) уже сегодня представлены в широком ассортименте нашей компании (https://escor.ru/catalog/moduli_pelte/).Если же у вас нет возможности посетить наш музей лично, то добро пожаловать на нашу страницу Вконтакте, где регулярно публикуется обзор самых интересных и примечательных экспонатов.

Искренне Ваш, Эскор!

Элемент Пельтье (TEC):ликбез от дилетанта estimata

В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TE.

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека. Он возникает при нагреве элемента Пельтье. В результате чего вырабатывается напряжение.

Плюсы элементов Пельтье:

небольшие размеры. Но соединив разные модули можно добиться нужных размеров.
отсутствие каких-либо движущихся частей, а значит отсутствие шума
отсутствие каких-либо газов и жидкостей
при обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования

Минусы элементов Пельтье:

маленький КПД
деградация (снижается эффективность и срок службы модуля) элемента при высоких температурах
при превышении температуры нагрева элемент может выйти из строя
нормированное количество включений/выключений
в случае использования элемента для охлаждения источник питания должен иметь ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.

Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

Принцип действия элемента Пельтье

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Современный элемент Пельтье представляет собой конструкцию из двух пластин-изоляторов (как правило керамических.). Между этими пластинами-изоляторами находится одна или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi₂Te₃ и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой.

Устройство модульного элемента Пельте
А — контакты для подключения
B — горячая поверхность
C — холодная сторона
D — медные проводники
E — полупроводник p-типа
F — полупроводник n-типа

Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n-p), а снизу — противоположные (p-n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются… или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Соединение полупроводниковых элементов Пельтье
A- горячая сторона, B — холодная сторона

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, т.к. это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Маркировка элементов Пельтье

Маркировка элемента Пельтье разделена на три группы

Обозначение элемента. Первые две буквы всегда «TE». После них идёт буква «C» (стандартный размер) или «S» — малый размер.
Далее идёт цифра, указывающая сколько слоёв в элементе.
Количество термопар в элементе.
Величина номинального тока, в амперах.

Вот пример расшифровки маркировки элемента Пельтье

Пример расшифровки маркировки элемента Пельтье
1- элемента Пельтье стандартного размера с 1 слоем элементов
2 — содержит 127 термопар
3 — номинальный ток 6 А

Иногда может быть четвёртая группа, указывающая на размеры модуля. Например, «40» указывает что элемент имеет размер 40х40 мм.

Технические параметры элементов Пельтье

Главными параметрами у элементов Пельтье являются:

Q_max – производительность холода. Данный параметр рассчитывается из максимального тока и разности температур между противолежащими обкладками модуля Пельтье
DTmax – максимальный температурный перепад между сторонами элемента Пельтье в идеальных условиях
I_max – ток, при котором перепад температур достигает своего максимума
U_max — предельное напряжение, при котором перепад температур достигает своего максимума
Resistence (RES) – сопротивление внутренних элементов изделия
КПД (COP) — данный показатель у самых лучших модулей едва дотягивается до 50 %. Но чаще всего встречаются элементы КПД от 20% до 30%.

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) представляют собой тепловые насосы, передающие тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье может переносить тепло с помощью эффекта Пельтье.Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами при протекании тока.

В зависимости от направления протекания постоянного тока возможно охлаждение и нагрев с помощью элементов Пельтье без изменения разъемов или механической настройки. Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно реализовать небольшие конструкции и нет движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, контролируется контроллером TEC.

Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье

Обычно идентификация производителя печатается на холодной стороне элемента Пельтье. Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье

Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снизить охлаждающую способность элемента.

Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют разные типы элементов Пельтье, они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.

Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные
Диапазон температур: разница температур dT _макс до 130 ° C (многоступенчатый), макс.температура до 200 ° C
Максимальная холодопроизводительность: до 290 Вт

Элемент Пельтье Модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели. Модель

имеет следующие три эффекта.

Эффект Пельтье Q _p: Передача тепла от одной стороны к другой. Описанный в этом уравнении Q _p = I * α * T
Обратный поток тепла Q _Rth: Тепловой поток от горячей стороны к холодной.Описанный в этом уравнении Q _Rth = dT / Rth
Джоулевое нагревание / потери Q _Rv представляют в сопротивлении R _v: Описанное в этом уравнении Q _Rv = I ² * R _v / 2.
Тепло, выделяемое R _v делится поровну на горячую и холодную стороны. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не учитывается в этом уравнении.

Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q _c зависит от трех эффектов: Q _p, Q _Rth и Q _Rv.

В случае охлаждения уравнение для Q _c. Имеет вид: Q _c = Q _p — Q _Rth — Q _Rv.

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств, элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляет производитель: Q _max, dT _max, U _max, I _max

Q _max: Максимальная мощность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 ° K
dT _max: максимальная разница температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
I _макс.: ток через элемент Пельтье при Q _макс.
U _max: напряжение через элемент Пельтье при Q _max

Параметры Q _max и dT _max являются теоретическими значениями и используются для описания поведения элементов Пельтье.Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрических устройствах. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.

В термоэлектрических устройствах всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q _c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементом Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье.Подобные схемы когда-нибудь используют и производители, например Ferrotec. Все значения в диаграммах относительны.

Тепловой насос в сравнении с текущим

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между производительностью теплового насоса по оси Y и током по оси X для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T _hot — T _cold) в случае охлаждения.

Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос vs.Текущий

Только при относительно небольших перепадах температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуется более высокая разница температур.

Перекачиваемое тепло Q _C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, поскольку тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.

Обычно сквозной ток для элемента Пельтье должен быть в пределах от 0 до 0,7 от I _max.

Динамика системы

Динамика системы. Нормализованная диаграмма зависимости теплоносителя от тока

Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры — и, следовательно, dT — или при увеличении тепловой нагрузки.

Если мы эксплуатируем элемент Пельтье с током около 25% от I _max, то можно скомпенсировать повышение dT на 10 Кельвина — точка A — B — чтобы гарантировать, что производительность теплового насоса остается постоянной, ток должен быть увеличенным.Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если перейти от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I _max, нам потребуется больше тока, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка D в E — когда производительность теплового насоса не должна измениться. Производительность теплового насоса все еще можно увеличить без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает с близким к максимальному току, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока.Переход от более низкой к более высокой разнице температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)

Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне Q _C, деленное на входную мощность P _el элемента Пельтье: COP = Q _C / P _el. COP — это, в основном, эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

На следующей диаграмме показана зависимость производительности (COP) от отношения тока I / I _max, значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.

На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от текущего состояния. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий максимальную производительность при соответствующей разнице температур dT.

С левой стороны мы видим, что КПД максимален при минимальном перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электроэнергии. Как мы видим, в зависимости от dT соответствующий максимум COP находится на разных уровнях тока — при более высоких dT он смещается вправо.Если мы проследим кривую вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить лишь небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что для увеличения разницы температур необходимы более высокие токи.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT> 0 K, заключается в том, что сначала необходимо компенсировать обратный поток тепла Q _Rth за счет эффекта Пельтье Q _p, прежде чем элемент Пельтье остынет.

Отвод тепла элемента Пельтье

На следующей диаграмме показано соотношение тепла Q _h, рассеиваемого на теплой стороне элемента Пельтье, от тока при охлаждении.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока для различных температурных перепадов dT.

Значения нормированные и относительные. Как вы можете видеть, Q _h, отклоненный элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q _max. Количество тепла на горячей стороне Q _h может быть настолько большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q _p и тепло сопротивления потерь Q _Rv должны рассеиваться.Q _h = Q _p + Q _{Применяется Rv}.

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующей диаграмме показано соотношение между Q _h и Q _C для различных dT в случае охлаждения. Отношение Q _h / Q _c является фактором того, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, на количество перекачиваемого тепла по сравнению сток для разных dT.

Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q _C = 1 Вт. Это дает 1,75 Вт тепла на горячей стороне Q _h = 1,75 Вт, если dt = 20 К. При dT = 40 К это примерно 3,5 Вт на горячей стороне Q _ч = 3,5 Вт

Напряжение vs.Текущий

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между напряжением на оси y и током на оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T _hot — T _cold) в корпус охлаждения.

Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных dT.

Как видите, кривая линейная. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения.Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси ординат связано с эффектом Зеебека.

Многоступенчатые элементы Пельтье

Многоступенчатый элемент Пельтье

Все приведенные выше диаграммы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 K). Но Q _max ниже, т.е. меньше тепла может рассеиваться.Это недостаток многоступенчатых элементов Пельтье.

Производителей