Термоэлектрический преобразователь пельтье: Термоэлектрические модули и элементы Пельтье

Z-MAX｜Эффект Пельтье (принцип электронного охлаждения)

Термоэлектрический модуль (модуль Пельтье) называют также [1] термоэлектрический преобразователь, [2] термоэлектрический элемент, [3] полупроводниковый элемент, [4] элемент Пельтье, [5] термомодуль и[6] TEC.

Что такое эффект Пельтье

Элемент Пельтье ? это полупроводниковый прибор, который может с помощью постоянного тока выполнять охлаждение, нагрев и температурный контроль. При пропускании постоянного тока, такой элемент может выполнять следующие функции. ● Между сторонами элемента создается разница температур. ● На холодной стороне тепло поглощается, а на горячей ? испускается; то есть, тепло перекачивается с холодной стороны на горячую, и элемент работает как тепловой насос. ● Для изменения направления перекачки достаточно поменять полярность тока, а путем изменения силы подаваемого тока можно регулировать количество перекачиваемого тепла. Таким образом можно просто осуществлять охлаждение, нагрев и температурный контроль.

Эволюция элемента Пельтье

　Эффект Пельтье был открыт 170 лет назад (в 1834 г.), а его теоретическое обоснование было дано в начале 1900-х гг.; однако из-за использования металлов в качестве материалов эффективность теплообмена была низкой, и это открытие не нашло практического применения. Термоэлектрическое охлаждение стало использоваться в 1960-х гг. с разработкой полупроводниковых материалов, что позволило создать термоэлектрические элементы с высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью.

Преимущества термоэлектрического охлаждения

　По сравнению с обычным циклом охлаждения с использованием компрессора и хладагента (фреон и т. д.), термоэлектрическое охлаждение обладает следующими преимуществами.

1.	Поскольку не используется фреон и другие хладагенты, не оказывается отрицательного воздействия на окружающую среду.
2.	Малые размеры и вес.
3.	Свободный выбор формы.
4.	В зависимости от полярности тока, можно выполнять не только охлаждение, но и нагрев.
5.	Наличие функций охлаждения и нагрева позволяет выполнять температурный контроль в области комнатной температуры.
6.	Высокая чувствительность к температуре (возможность быстрого охлаждения или нагрева).
7.	Поскольку нет подвижных частей, отсутствуют вибрации и шум.
8.	Отсутствие изнашивающихся механических частей обеспечивает максимальную долговечность и надежность в качестве охладителя.
9.	Удобство в обращении благодаря наличию только одного электрического кабеля.
10.	Простота обслуживания ввиду отсутствия опасности утечки газообразного хладагента, агрессивных жидкостей и т. д.

Элемент Пельтье

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Принцип действия

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.

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.

Элемент Пельтье состоит из одной 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. 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 °C.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье являются 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 является отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. 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.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как 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.

Применение

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, малогабаритных автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, применяемых в общественном питании, так как применение компрессорной холодильной установки в этом случае невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 °C для одностадийных холодильников и до −120 °C для двухстадийных).

Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров при необходимости экстремального охлаждения без азота. До азотного охлаждения использовали именно такой способ.

«Электрогенератор Пельтье» (более корректно было бы «генератор Зеебека», но неточное название устоялось) — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль, аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей:

непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье,

источник тепловой энергии для нагрева преобразователя (например, газовая или бензиновая горелка, твердотопливная печь и т. д.)

Так же охладители Пельтье получили применение в устройствах охлаждения электротехнических DC шкафов и другого оборудования постоянного тока, а также, для охлаждения оборудования, для которого компактные габаритные размеры, невосприимчивость к ориентации в пространстве и отсутствие необходимости в техническом обслуживании имеют решающую роль.

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, пр

                                     

3. Применение

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, малогабаритных автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, применяемых в общественном питании, так как применение компрессорной холодильной установки в этом случае невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях например в астрофотографии. Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30 — 40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей до −80 °C для одностадийных холодильников и до −120 °C для двухстадийных.

Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров при необходимости экстремального охлаждения без азота. До азотного охлаждения использовали именно такой способ.

«Электрогенератор Пельтье» более корректно было бы «генератор Зеебека», но неточное название устоялось — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль, аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей:

• источник тепловой энергии для нагрева преобразователя
• непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье,

Система пельтье что это

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

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.

Элемент Пельтье состоит из одной 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. 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 °C.

Достоинства и недостатки [ править | править код ]

Достоинством элемента Пельтье являются 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 является отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. 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.

В батареях элементов Пельтье [1] возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как 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.

Применение [ править | править код ]

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, маленьких автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, применяемых в общественном питании, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 °C для одностадийных холодильников и до −120 °C для двухстадийных).

Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров при необходимости экстремального охлаждения без азота. [2] [3] До азотного охлаждения использовали именно такой способ.

«Электрогенератор Пельтье» — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль, аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей:

1. непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье,
2. источник тепловой энергии для нагрева преобразователя (например, газовая или бензиновая горелка, твердотопливная печь и т. д.)

Поделитесь в соцсетях:

Тема охлаждения компонентов ПК волнует многих пользователей. Большинство из них ограничиваются стандартными воздушными кулерами, отдельные энтузиасты собирают СВО. А что же дальше? Наверняка те, кто серьезно интересовался разгоном, слышали о модулях Пельтье (или термоэлектрических модулях, далее по тексту – ТЭМ; английский вариант – TEC, Thermoelectric Cooler) и их применении в качестве тепло-отводов для сильно-греющихся элементов компьютера.

Однако зачастую даже базовую информацию по правильному использованию этих удивительных устройств найти трудно, отсюда – многочисленные ошибки тех, кто впервые с ними сталкивается. К слову, производители систем охлаждения также экспериментируют с модулями Пельтье, порой представляя на суд публики весьма любопытные концепты. Как работают ТЭМ, действительно ли они так уж небходимы в СО компьютера, как самостоятельно собрать нехитрые кулеры и избежать простейших ошибок, достаточно характерных для новичков, – обо всем этом мы расскажем в данном материале.

Немного теории

Чем же на самом деле являются модули Пельтье? В базовом определении это термоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на эффекте Пельтье, открытом в далеком 1834 году. Суть данного процесса заключается в возникновении разности температур в месте контакта материалов при протекании сквозь них электрического тока.

Мы не станем вдаваться в подробности истории открытия и научного обоснования специфики работы ТЭМ, поскольку этой теме можно посвятить целую диссертацию. Однако общие понятия упомянем.

Базовая схема устройства ТЭМ

Элементы Пельтье состоят из двух токопроводящих материалов (полупроводников) с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. Физика протекания тока через подобные вещества такова, что для перехода электронов им требуется определенная подпитка, получаемая в момент прохождения тока через спайку. В таком случае возможно перемещение частиц в высокоэнергетическую зону проводимости от одного материала к другому. Место соприкосновения полупроводников в момент поглощения энергии охлаждается. Изменение направления тока или перемещение электронов из более энергетической зоны в менее насыщенную приводит к нагреву места контакта. Помимо этого, в модулях Пельтье наблюдается тепловой эффект, характерный для любых веществ, сквозь которые пропускают электрический ток. Вообще процессы, присущие ТЭМ, проявляются и в месте контакта обычных металлов, однако определить их без сложных приборов почти нереально. Поэтому основой для модулей служат полупроводники.

Структура термоэлектрического элемента (модуля Пельтье)

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар полупроводниковых параллелепипедов разных типов (как в диодах или транзисторах, n- и p-типа). Современная индустрия для этих целей наиболее часто выбирает германид кремния и теллурид висмута. Полупроводники попарно соединяются металлическими перемычками из легкоплавких веществ. Последние выполняют роль термоконтактов и напрямую соприкасаются с керамической пластинкой или подставкой. Пары полупроводников соединены последовательно, разные виды проводимости контактируют друг с другом. С одной стороны модуля имеются лишь n->p-переходы, с другой – p->n. Течение тока вызывает охлаждение и нагревание противоположных групп контактов. Поэтому можно говорить о переносе током тепловой энергии с одной стороны модуля Пельтье на другую и, как следствие, возникновении разности температур на пластинке. Правильное применение модулей позволяет извлечь некоторые выгоды для промышленных, в том числе компьютерных СО. К слову, элементы могут быть использованы и в качестве электрогенераторов – основываясь на тех же принципах работы, физика протекающих внутри процессов объясняется эффектом Зеебека (условно говоря, тот же эффект Пельтье с «противоположным знаком»).

Плюсы и минусы применения ТЭМ

Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:

• сравнительно небольшие габариты;
• возможность работы и на охлаждение, и на нагревание системы;
• отсутствие движущихся частей, механических составляющих, подверженных износу.

В то же время ТЭМ обладают рядом недостатков, существенно сдерживающих их повсеместное практическое применение. Среди них следующие:

В USB-холодильнике также используется модуль Пельтье

• низкий КПД модулей;
• необходимость наличия источни- ка тока для их работы;
• большая потребляемая мощ- ность для достижения заметной разности температур и, как следствие, существенное тепло- выделение;
• ограниченные габариты и полезные характеристики.

Однако, невзирая на негативные характеристики модулей Пельтье, они нашли свое применение в ряде продуктов. ТЭМ выгодны в первую очередь там, где энергетическая эффективность охладителя некритична, чем меньше – тем лучше. Элементы служат для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах, позволяющих добиться заметного уменьшения теплового шума при длительных экспозициях. Модули Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с целью стабилизации длины волны их излучения. Возможно использование нескольких ТЭМ, составленных последовательно в виде каскадов (холодная сторона одного охлаждает горячую другого), благодаря чему реально достичь очень низких температур для устройств, обладающих малым тепловыделением. Элементы Пельтье – основа компактных холодильников, в первую очередь автомобильных. Их применяют и в миниатюрных сувенирах из области компьютерной периферии, и в производительных СО в качестве основных или вспомогательных компонентов. Именно о последнем варианте мы и поговорим более подробно.

Модули Пельтье в ПК: практика

Элемент Пельтье размещается между водоблоком и медной «буферной» пластинкой

При переходе к практической реализации СО на базе ТЭМ нужно сделать несколько оговорок, которые позволят правильно подобрать параметры итоговых конструкций. Нередко эксперименты новичков заканчиваются плачевно: либо температуры на «холодной» стороне модулей во время работы получаются выше, чем на горячей, либо системы демонстрируют откровенно слабые результаты даже по сравнению со стоковыми кулерами без элементов Пельтье. Причины зачастую кроются в неправильном расчете (или построении СО наугад). Дело в том, что любой ТЭМ имеет свои штатные характеристики, обычно выделяют два значения (рассмотрим их на примере модуля ТЕС1-12709 с заявленной максимальной мощностью 136 Вт), например, пишут, что ΔTmax Qcmax=0(°С) 66 и Qcmax ΔTmax=0(W) 89.2. Перефразируя данное выражение: модуль способен обеспечить максимальный перепад температур между сторонами, равный 89,2 ºС при отсутствии тепловой нагрузки и 0 ºС при наличии таковой на «холодную» сторону 66 Вт. Таким образом, полезная нагрузка модуля лежит в пределах от 0 до 66 Вт, в идеале – чем меньше – тем лучше и тем большую разницу температур обеспечит ТЭМ. В то же время любой модуль имеет другую характеристику – максимальную потребляемую мощность, которую тоже нужно отвести от него с помощью системы охлаждения. Для рассматриваемого ТЕС1-12709 Umax (В) равно 15.2 В, I max- 9 А. Следовательно, при указанных параметрах имеем энергопотребление 136,8 Вт, что, согласитесь, немало.

Система охлаждения должна успешно отводить тепло непосредственно от модуля (обеспечивая максимально возможную низкую температуру «горячей» стороны) и компонентов ПК. Примерный КПД такой системы можете вычислить сами – при полезной составляющей в 150–200 Вт (приблизительно столько выделяют современные разогнанные CPU) для получения хоть каких-то видимых результатов придется затратить не менее 600–800 Вт электрической мощности и отвести не менее киловатта тепловой. Именно поэтому производительные СО на базе модулей Пельтье не получили широкого распространения. Впрочем, прецеденты сравнительно успешной реализации гибридных кулеров известны, а мы попытаемся создать свои – маломощный и оптимальный. Чтобы избежать ограничений в виде недостаточного теплоотвода, на «горячую» сторону ТЭМ поместим производительные водоблоки, подключенные в контур СВО. Кстати, модули Пельтье нельзя устанавливать непосредственно на ядро/теплораспределительную крышку чипов – тонкая керамическая подкладка не способна поддерживать эффективную теплопередачу ко всем полупроводниковым парам, составляющим ТЭМ. Для этой цели лучше всего подойдет промежуточный «буфер» – медная пластинка толщиной 5–7 мм, полностью закрывающая поверхность модуля. К слову, оптимальный режим эксплуатации элементов Пельтье обеспечивается при пониженных напряжении и потребляемом токе. Приближение этих параметров к максимальным существенно повышает тепловую отдачу пластины, однако не так ощутимо – полезную составляющую.

Мы решили по максимуму охладить графический чип видеокарты Radeon HD 4350 и CPU Core 2 Duo E8500, попытавшись разогнать данные компоненты. Для отвода тепла от GPU использовались уже упомянутый ТЕС1-12709 (максимальная потребляемая мощность – 136 Вт) и самодельный медный водоблок, в паре с процессором работали ТЕС1-12726 (395 Вт) и один из лучших промышленных водоблоков Swiftech Apogee GT. Модули подключались напрямую к компьютерному БП в 12-вольтовую цепь. Применение киловаттного be quiet! Dark Power PRO BQT P6PRO-1000W давало все основания не переживать за недостаток мощности для питания ПК и элементов системы охлаждения. В контуре СВО трудились два «двойных» радиатора под 120-миллиметровые вентиляторы и помпа Hydor Seltz L30 (производительностью 1200 л/ч на холостом ходу).

Основа мощного чиллера – «бутерброд» из трех водоблоков и восьми ТЭМ, расположенных между ними

В случае охлаждения компонентов до температур ниже комнатных (в частности, ниже «точки росы») стоит ожидать появления конденсата на переохлажденных поверхностях. Понятно, что вода в таком виде является главным врагом пользователя, и ее выделение необходимо предупредить. Делается это путем тщательной теплоизоляции любых поверхностей (частей РСВ, околосокетного пространства с обеих сторон платы, собственно ТЭМ, теплораспределителя процессора и GPU) материалами, не пропускающими воздух. Лучше всего для этих целей подходит стандартный теплоизоляционный материал для труб водоснабжения (на основании вспененного каучука), специальные замазки, отдельные виды поролона, поставляемого в комплекте с компонентами ПК, на худой конец термопаста и бумажные салфетки. В последнем случае допустима эксплуатация ПК лишь для проведения кратковременных бенчинг-сессий. Теплоизоляция обеспечит повышение общего КПД установки.

Итоговые температуры, полученные в различных режимах работы компонентов, их сравнение с показателями, обеспечиваемыми исключительно системой водяного охлаждения, приведены в диаграмме. Как видите, модули Пельтье позволили понизить температуру компонентов ощутимо ниже комнатной (в зависимости от загрузки). В таких условиях не составило особого труда разогнать процессор до частоты 4,3 ГГц с повышением напряжения питания до 1,35 В, а GPU заставить функционировать на 800 МГц (штатное значение – 600 МГц). В то же время мы получили ощутимый нагрев СО тестового стенда (в корпусе ситуация усугубилась бы более существенно) и резкий рост уровня энергопотребления ПК (собственно, вся конструкция потребляет больше, чем отдельно взятый компьютер на базе компонентов тестового стенда). Подобное решение однозначно пригодится в зимнюю пору, однако летом вряд ли порадует большинство пользователей.

Готовы ли вы на такие жертвы ради достижения сравнительно низких температур на компонентах ПК? Решайте сами, но помните о базовых советах, приведенных в этой части материала, – они помогут правильно применить модули Пельтье на практике. Использование систем охлаждения на основе ТЭМ разумно и оправданно в случае с маломощными компонентами (чипсетами материнских плат, GPU низко- и среднеуровневых видеокарт). Не забывайте и о теплоизоляции охлаждаемых элементов – ведь конденсат является главным врагом системы во время экспериментов с ТЭМ.

Выводы

Подытоживая вышесказанное относительно особенностей работы модулей Пельтье и целесообразности их практического применения, повторимся: ТЭМ имеют упомянутые преимущества и недостатки, которые не позволяют дать однозначного ответа на вопрос: «А стоит ли…?» Их использование оправданно для отвода незначительных тепловых нагрузок (именно к таковым относятся компактные холодильники, термостатированные лазеры; СО для маломощных компонентов ПК – чипсетов и отдельных GPU).

На базе элементов Пельтье можно создавать различные самодельные охлаждающие и нагревающие устройства, существуют примеры успешной реализации маломощных генераторов. Но прежде чем заниматься изготовлением подобных конструкций, ознакомьтесь все же с теоретической составляющей – предварительная подготовка избавит от ошибок и сэкономит время в момент практического воплощения проектов.

Говорить о применении модулей Пельтье в ПК следует достаточно осторожно: прочитав о получении низких температур на охлаждаемых элементах, новички часто забывают о значительной потребляемой и выделяемой мощности подобных СО, не учитывают параметры и «запас прочности» отдельно взятой конструкции. ТЭМ заинтересуют в первую очередь оверклокеров, для которых любой выигрышный градус и каждый мегагерц важны. Рассматриваемые элементы – промежуточное звено между классическими системами водяного охлаждения и чиллерами или фреонками, работающими по принципу фазового перехода. Впрочем, применение ТЭМ отнюдь не назовешь простым, поэтому прежде чем приступать к серьезным экспериментам, тщательно взвесьте все «за» и «против».

Готовые СО на базе ТЭМ

Модули Пельтье используются производителями систем охлаждения для ПК в качестве основных и вспомогательных компонентов кулеров. Порой из этого получаются эффектные действенные устройства, иногда все выходит не так гладко, как изначально задумывалось. Мы решили вспомнить об основных СО, применяющих ТЭМ, которым прочили роль революционеров своего времени.

Thermaltake SubZero4G Один из первых кулеров с элементом Пельтье, наделавший сравнительно много шума в сфере охлаждения CPU (2003 год). Однако невысокий запас прочности, значительное по тем временам энергопотребление, громоздкость конструкции и шумность в работе не позволили ему закрепиться на рынке. Появись эта модель на год-два раньше – возможно, все обернулось бы иначе.

Titan Elena Суперкулер для видеокарт, построенный по тому же принципу, что и Titan Amanda: одна половина радиатора работает непосредственно на отвод тепла от GPU, другая охлаждает горячую сторону ТЭМ. В свое время оказался одним из лучших во время тестирования СО для графических адаптеров. (Мы писали о нем в «Домашнем ПК» в 2007 году.)

Swiftech MCW6500-T Самое мощное современное решение для охлаждения CPU, использующее элемент Пельтье. Представляет собой производительный водоблок, отводящий тепло от ТЭМ (около 400 Вт потребляемой электрической мощности), который, в свою очередь, создает оптимальный температурный режим процессора. Эта система способна обеспечить функционирование Core i7 на частоте порядка 4 ГГц при температуре около 0 ºС (режим простоя) и 20–30 ºС в режиме максимальной нагрузки.

Swiftech MCW60-T Аналогично процессорному решению представляет собой высокопроизводительный водоблок для графического адаптера, дополненный модулем Пельтье. В зависимости от TDP видеочипа способно удерживать его температуру на уровне комнатной или ниже.

Cooler Master V10 Элементы Пельтье этой СО охлаждают часть тепловых трубок. Подход достаточно интересный и правильный, применение модулей позволяет сбить пару-тройку градусов на процессоре. Однако экономическая целесообразность такого хода – под большим вопросом, ввиду того что V10 при существенной цене не в состоянии обогнать лучшие воздушные суперкулеры. Скорее всего, виноваты особенности конструкции и недостаточная мощность ТЭМ.

Titan Amanda Серия достаточно современных процессорных суперкулеров на тепловых трубках, использующих термоэлектрический модуль (2007–2008 гг). Часть радиатора отводила тепло непосредственно от ТЭМ, тогда как другая половина охлаждала греющийся компонент. Подобный подход к проектированию позволяет избежать резкой перегрузки СО вследствие превышения лимитов тепловыделения модуля Пельтье. Кулеры линейки Amanda демонстрировали отличные результаты с процессорами, обладающими сравнительно невысоким TDP.

XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project

Владельцев СВО и тех, кто собирается обзавестись жидкостными системами, могут заинтересовать так называемые чиллеры на базе элементов Пельтье. В зависимости от типа подключения ТЭМ в контур они позволят немного понизить температуру теплоносителя, а при создании мощных СО даже обеспечат температуру хладагента, близкую к нулевой.

Известный нашим читателям энтузиаст Wehr-Wolf давно интересовался затронутой темой эффективного охлаждения компонентов ПК и их дальнейшего экстремального разгона. Начиналось все в далеком 2005 году с теоретических набросков, рассуждений и одного из главных компонентов системы – массивного «бутерброда», состоящего из больших водоблоков. Однако заброшенные на длительное время задумки удалось реализовать лишь совместно с автором данного материала, в середине этого года запустив энтузиастский проект XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project.

Первый пуск ТЭМ-чиллера в полевых условиях

Принцип работы системы достаточно прост: модули Пельтье (8 ТЭМ с максимальной потребляемой мощностью 136 Вт каждый) охлаждают с двух сторон большой медный водоблок, а сами, в свою очередь, охлаждаются аналогичными водоблоками. «Холодный» и «горячий» контуры СВО полностью разделены между собой. Для питания такого количества ТЭМ в процессе первого запуска использовались два компьютерных БП с общей заявленной мощностью 1200 Вт, в качестве охладителя «горячего» контура выступала СЖО с двумя радиаторами под два 120-миллиметровых вентилятора каждый, прокачиваемая мощной помпой. Однако даже такой СВО оказалось недостаточно, и радиаторы пришлось продувать высокопроизводительными промышленными вентиляторами. В «холодный» контур были подключены помпа Hydor L20 II и водоблок Swiftech Apogee GT, охладителем выступал большой водоблок, контактирующий с «холодной» стороной ТЭМ. В результате первого эксперимента удалось добиться температуры воды в контуре порядке 5–7 ºС, при этом в качестве нагрузки для системы использовался процессор Core i7 965 Extreme Edition, разогнанный до частоты 4 ГГц.

Редакция сайта iXBT.com обращается к вам с просьбой отключить блокировку рекламы на нашем сайте.

Дело в том, что деньги, которые мы получаем от показа рекламных баннеров, позволяют нам писать статьи и новости, проводить тестирования, разрабатывать методики, закупать специализированное оборудование и поддерживать в рабочем состоянии серверы, чтобы форум и другие проекты работали быстро и без сбоев.

Мы никогда не размещали навязчивую рекламу и не просили вас кликать по баннерам. Вашей посильной помощью сайту может быть отсутствие блокировки рекламы.

Спасибо вам за поддержку!

Термоэлектрический охладитель Пельтье

Термоэлектрический охладитель Пельтье.
Принцип действия заимствовал из нета: 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.

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

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), 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/

Описание
Элемент пельтье представляет из себя термоэлектрический преобразователь, который при подаче напряжения способен создать разность температур на пластинах, то есть перекачать тепло или холод. Представленный элемент Пельтье применяется при охлаждении компьютерных плат (при условии эффективного отведения тепла), для охлаждения или нагрева воды. Так же элементы Пельтье используются в переносных и автомобильных холодильниках.

Элемент Пельтье, работающий от 12 Вольт.

•Для нагрева необходимо просто поменять полярность.
•Размеры пластины Пельтье: 40 х 40 х 4 миллиметра.
•Рабочий диапазон температур: от -30 до +70?..
•Рабочее напряжение: 9-15 Вольт.
•Потребляемая сила тока: 0.5-6 А.
•Максимальная потребляемая мощность: 60 Вт.
Забавная вещица, подключаем 12v +- холодит меняем полярность греет. Используется во многих авто холодильниках, во всяком случае у меня такой. Можно приделать компактную схему в бардачок что б летом шоколад не таял! Для использования и эффективного применения нужно использовать радиатор охлаждения — в качестве теста применил радиатор от компьютерного процессора, можно с куллером. Чем лучше охлаждение тем эффект Пельтье сильнее и эффективнее. При подключении к авто акб на 12v ток потребления составил 5 ампер. Одним словом элемент прожорлив. Так как еще не собрал всё схему, а провел лишь пробные тесты, без приборных замеров температур. Так при режиме охлаждения в течении 10ти минут появилась легкая изморозь. В режиме подогрева вода в металлической чашки закипела. Эффективность конечно же этого охладителя низка, но цена девайса и возможность по экспериментировать делают покупку оправданной. Остальное на фото

Элемент Пельтье (TEC):ликбез от дилетанта estimata

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

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

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 °C.

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

1. 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.
2. Количество термопар в элементе.
3. 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%.

Элемент Пельтье

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC.
Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

1. Принцип действия
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.
Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре обычно теллурида висмута Bi 2 Te 3 и твёрдого раствора SiGe, 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 °C.

2. Достоинства и недостатки
Достоинством элемента Пельтье являются 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 является отсутствие шума.
Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. 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.
В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как 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.

3. Применение
Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, малогабаритных автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, применяемых в общественном питании, так как применение компрессорной холодильной установки в этом случае невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика.
Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях например в астрофотографии. Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.
Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.
В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30 — 40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей до −80 °C для одностадийных холодильников и до −120 °C для двухстадийных.
Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров при необходимости экстремального охлаждения без азота. До азотного охлаждения использовали именно такой способ.
«Электрогенератор Пельтье» более корректно было бы «генератор Зеебека», но неточное название устоялось — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль, аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей:
источник тепловой энергии для нагрева преобразователя
непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье,

Дата публикации:

05-16-2020

Дата последнего обновления:

05-16-2020

Модули Пельтье для термоэлектрического охлаждения

Термоэлектрическое охлаждение быстро стало применяться на практике для многих типов электронного оборудования. Устройства, представленные на рынке сегодня, компактны, эффективны и — благодаря усовершенствованной внутренней конструкции — преодолевают традиционные проблемы надежности, которые ограничивали возможности для этого типа устройств в прошлом.

Поддержание стабильной температуры электронных компонентов, таких как лазерные диоды или датчики изображения, жизненно важно для обеспечения правильной работы таких инструментов, как мощные лазеры, лабораторные эталоны, спектроскопы или системы ночного видения.В некоторых случаях может потребоваться охлаждение до температуры ниже температуры окружающей среды. Простое пассивное охлаждение, использующее комбинацию радиатора и принудительной подачи воздуха, не может удовлетворить любое из этих требований; реакция на изменения тепловой нагрузки может быть медленной и неточной, а охлаждение зависит от температурного градиента, когда температура источника тепла выше температуры окружающей среды.

В качестве альтернативы обычно используемым методам пассивного охлаждения термоэлектрическое охлаждение может предложить множество преимуществ. К ним относятся точный контроль температуры и более быстрая реакция, возможность безвентиляторной работы (в зависимости от характеристик радиатора), снижение шума, экономия места, снижение энергопотребления и возможность охлаждения компонентов до температур ниже окружающей среды.

Элементы Пельтье: принципы и устройство

Внутренняя структура элемента Пельтье состоит из полупроводниковых таблеток, изготовленных из материалов теллурида висмута N-типа и P-типа. Матрица гранул электрически соединена последовательно, но термически расположена параллельно, чтобы максимизировать теплопередачу между горячей и холодной керамическими поверхностями модуля (рис. 1).

Рисунок 1: Внутренняя структура типового элемента Пельтье (Источник изображения: устройства CUI)

Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье, который наблюдается как тепло, которое либо поглощается, либо выделяется между соединениями двух разнородных проводников при прохождении тока.Термоэлектрический модуль, содержащий элемент Пельтье, расположенный между двумя керамическими пластинами с высокой теплопроводностью, с источником питания, способен эффективно перекачивать тепло через устройство от одной керамической пластины к другой. Более того, направление теплового потока можно изменить, просто изменив направление тока на противоположное.

Приложение постоянного напряжения заставляет положительные и отрицательные носители заряда поглощать тепло от одной поверхности подложки и передавать и отдавать его подложке на противоположной стороне.Следовательно, поверхность, на которой поглощается энергия, становится холодной, а противоположная поверхность, на которой выделяется энергия, становится горячей.

Строительство холодильного агрегата

Для создания практичного термоэлектрического охлаждающего устройства модуль Пельтье встраивается в систему, которая обычно состоит из металлического блока с высокой теплопроводностью, такого как алюминиевый сплав, и ребристого радиатора (рис. 2). Металлический блок используется для прикрепления охлаждаемого устройства, такого как лазерный диод или датчик изображения, к холодной стороне охлаждающего элемента.Толщина блока выбирается так, чтобы сохранить плоскостность и, таким образом, обеспечить постоянное тепловое соединение с холодной пластиной элемента Пельтье, учитывая, что чрезмерная толщина приведет к нежелательной тепловой инерции. Радиатор прикреплен к противоположной стороне или горячей пластине элемента Пельтье, чтобы отводить извлеченное тепло в окружающую среду. На каждую поверхность наносится тонкий слой термопасты или другого термоинтерфейсного материала (ТИМ).

Рисунок 2: Элемент Пельтье, алюминиевый блок и радиатор собраны для создания системы охлаждения (Источник изображения: устройства CUI)

Выбор модуля и контроллера

Полная термоэлектрическая система охлаждения включает элемент Пельтье и радиатор в сборе, датчики температуры для контроля горячих и холодных пластин и блок контроллера, обеспечивающий подачу правильного тока для поддержания желаемой разницы температур в модуле.

Контроллер и модуль Пельтье выбраны таким образом, чтобы тепло от охлаждаемого компонента в сочетании с джоулевым нагревом подаваемого тока могло рассеиваться без превышения максимальной теплоемкости (Q _макс. ) или максимальной разницы температур (ΔT _макс. ), указанные в техническом описании модуля Пельтье. Также следует учитывать максимальную разницу температур и максимальный ток, чтобы выбранный модуль Пельтье мог поддерживать желаемую разницу температур при работе с подходящим током.Как правило, он должен быть менее 70% от максимального номинального тока, чтобы гарантировать, что джоулевое нагревание остается в контролируемых пределах, и система может реагировать на кратковременное повышение температуры холодной пластины без возникновения теплового разгона.

Расчет тока и поглощения тепла

Если желаемая разница температур и рабочее напряжение источника питания известны, тепловыделение и рабочий ток могут быть рассчитаны на модуле с использованием функциональных диаграмм, представленных в техническом описании.

В качестве примера функциональные схемы, показанные на рисунке 3, можно использовать для определения накачиваемого и подаваемого тока для температуры горячей пластины (Th) 50 ° C, температуры холодной пластины 10 ° C и напряжения питания 12 В.

Рисунок 3: Расчет настройки с использованием функциональных диаграмм таблицы данных (Источник изображения: устройства CUI.)

Для определения рабочего тока и поглощения тепла:

1. Найдите ΔT:

   ΔT = T _h — T _c — 50 ° C — 10 ° C = 40 ° C

2. Используйте функциональную диаграмму для T _h = 50 ° C, чтобы найти ток для поддержания ΔT = 40 ° C при подаваемом напряжении:

   Из диаграммы I = 3.77 А

3. Найдите тепловую насосную мощность по функциональной диаграмме при I = 3,77 A и ΔT = 40 ° C:

   Из диаграммы Q _c = 20,75 Вт

Термическая усталость в модулях Пельтье

Термоэлектрические охладители могут быть подвержены термической усталости. Традиционно изготовленные блоки содержат обычные паяные соединения между электрическим межсоединением (медью) и полупроводниковыми элементами P / N, а также паяные или спеченные соединения между межсоединением и керамической подложкой (Рисунок 4).Хотя эти методы соединения обычно создают прочные механические, тепловые и электрические связи, они негибкие и могут разрушаться и в конечном итоге выходить из строя при повторении циклов нагрева и охлаждения, которые типичны для нормальной работы модуля Пельтье.

Рисунок 4: Пайка и спекание обычного модуля Пельтье (Источник изображения: CUI Devices.)

Компания

CUI Devices разработала структуру arcTEC ™ для модулей Пельтье для борьбы с эффектами термической усталости.Структура arcTEC заменяет обычную пайку между медным электрическим межсоединением и керамической подложкой на холодной стороне модуля на теплопроводящую смолу. Эта смола обеспечивает эластичную связь внутри модуля, которая допускает расширение и сжатие, возникающие во время повторяющихся циклов термоциклирования. Эластичность этой смолы снижает напряжения внутри модуля, обеспечивая при этом лучшее тепловое соединение и превосходное механическое соединение, и не показывает заметного ухудшения характеристик с течением времени.

Кроме того, специальный припой SbSn (сурьма-олово) заменяет припой BiSn (висмут-олово), обычно используемый между полупроводниковыми элементами P / N и медным межсоединением (Рисунок 5). Припой SbSn имеет более высокую температуру плавления 235 ° C по сравнению со 138 ° C для BiSn и, таким образом, обеспечивает превосходные характеристики термической усталости и лучшую прочность на сдвиг.

Рисунок 5: Улучшения структуры arcTEC повышают надежность и тепловые характеристики (Источник изображения: CUI Devices.)

Повышение надежности и тепловых характеристик

Чтобы обеспечить дополнительное повышение надежности, элементы P / N структурных модулей arcTEC изготовлены из кремния премиум-класса и в 2,7 раза больше, чем у других модулей. Это обеспечивает более равномерное охлаждение, избегая неравномерных температур, которые способствуют сокращению срока службы. На рисунке 6 показано влияние на распределение температуры путем сравнения инфракрасных изображений обычного модуля Пельтье (вверху) и структурного модуля arcTEC (внизу).Превосходные P / N элементы структурных модулей arcTEC также помогают сократить время охлаждения более чем на 50%.

Рисунок 6: Улучшенное распределение температуры в структурных модулях arcTEC (внизу) по сравнению с традиционными модулями (вверху) (Источник изображения: устройства CUI.)

Увеличенный ожидаемый срок службы структурных модулей arcTEC может быть продемонстрирован путем анализа изменения внутреннего сопротивления модулей Пельтье, подверженных термоциклированию. Поскольку изменение сопротивления в модулях Пельтье тесно связано с разрывом связи, анализ тенденции дает полезный индикатор срока службы.Результаты, показанные на Рисунке 7, дополнительно демонстрируют значительное улучшение ожидаемого срока службы, которое стало возможным благодаря структуре arcTEC.

Рисунок 7: Оценка надежности путем мониторинга изменения сопротивления (Источник изображения: устройства CUI.)

Заключение

Хотя физика термоэлектрического охлаждения была понятна на протяжении многих поколений, появление подходящих модулей Пельтье, готовых к использованию в коммерческих электронных продуктах, является относительно новым явлением.Предлагается множество преимуществ, включая более быстрый отклик, улучшенную температурную стабильность и большую гибкость для управления температурой критически важных устройств, таких как интегральные схемы, лазерные диоды или датчики. Ожидается, что по мере знакомства дизайнеров с продуктами и методами проектирования появится много новых и инновационных приложений для модулей Пельтье.

Следует проявлять осторожность при выборе модулей Пельтье и проектировании схемы управления, чтобы модули работали в пределах их тепловых ограничений.Самые современные модули Пельтье, разработанные с гибкими внутренними соединениями и гранулами P / N высокой чистоты, позволили добиться дальнейшего улучшения теплового отклика и надежности.

Ресурсы

1. Посмотреть полный портфель модулей Пельтье от CUI Devices
2. Узнайте больше о термоэлектрическом охлаждении с помощью модуля Пельтье PTM от CUI Devices.
3. Подробнее о структуре arcTEC в CUI Devices

Отказ от ответственности: Мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Датчики и материалы

Специальный выпуск о передовых методах и устройствах для дистанционного зондирования
Приглашенный редактор, Лей Дэн и Фучжоу Дуань (Столичный педагогический университет, Пекин)

Принятые документы (щелкните здесь)

• Дизайн и реализация мобильного устройства и подъемная платформа панорамного сбора данных
  Ян Лю, Си-Ян Гао, Мин-И Ду, Го-Инь Цай, Чжао-Инь Ян, Сяо-Ю Лю, Хэн Ян и Цзин-Цзюэ Цзя
• Сочетание 137Cs с моделью GeoWEPP для Изучение краткосрочной эрозии почвы на склонах в карстовых областях в Юго-Западном Китае
  Чуань Инь, Кай Сюн, Хунбин Цзи и Минъи Ду
• Долгосрочное обнаружение изменений земного покрова с использованием мультисенсорных и мультиразрешающих изображений дистанционного зондирования: пример Чанга an University, China
  Xianglei Liu, Nilufar Adil, and Xiaolong Ma
• Пространственно-временные изменения влажности почвы в Китае на основе длинных временных рядов на основе GLDAS-Noah
  Mengqing Geng, Feng Zhang, Xiaoyan Chang, Qiulan Ву и Линь Лян
• Обнаружение изменений скоплений городских строительных отходов в 3D с помощью фотограмметрии беспилотных летательных аппаратов
  Цян Чен, Юань-Юань Ли, Цзи-И Цзя и Цянь-Хао Ченг
• Структура визуализации городских наводнений на основе пространственной сетки
  Chuyuan Wei, Changfeng Jing, Shouqing Wang и Delong Li
• Мониторинг наклона башни на основе видео-фотограмметрии
  Чжунхуа Хун, Фань Ян, Хайянь Пан, Руян Чжоу, Юнь Чжан, Яньлин Хань, Цзин Ван, Шуху Ян, Лицзюнь Сюй , и Kuifeng Luan
• Метод получения светового поля на основе выборки глубины
  Fuzhou Duan, Ying Zuo, Hongliang Guan и Tian Guo
• Обнаружение полосы движения на основе улучшенной семантической сегментации в сложной дорожной среде
  Chaowei Ma, Dean Luo, and He Хуан
• Оценка методов калибровки лидара и внешнего эталона камеры
  Яо Фу, Дин Луо, Хэ Хуанг, Ичжоу Сюэ и Тонг Инь
• Динамический мониторинг пространственно-временного Чан ges по качеству экологической среды в Пекине на основе экологического индекса дистанционного зондирования с помощью Google Earth Engine
  Jiaqi Lu, Hongliang Guan, Zhiqiang Yang и Lei Deng
• Классификация водно-болотных угодий в озере Поянху с использованием данных SAR с двойной поляризацией и сочетанием характеристик
  Guanhua Zhou , Чжиюань Ван, Хаою Мяо, Чэн Цзян и Гуйфэй Цзин

Специальный выпуск о сенсорных технологиях и их приложениях (II)
Приглашенный редактор, Рей-Чуэ Хван (Университет И-Шоу)
Запрос на получение бумаги

Принятые статьи (щелкните здесь)

Специальный выпуск по усовершенствованным микро- и наноматериалам для различных сенсорных приложений (избранные статьи из ICASI 2020)
Приглашенный редактор, Шэн-Джуэ Янг (Национальный университет Формозы), Шоу-Джинн Чанг (Национальный Ченг) Kung University), Liang-Wen Ji (Национальный университет Формозы) и Yu-Jen Hsiao (Южно-Тайваньский университет науки и технологий)
Веб-сайт конференции
Call fo r paper

Special Issue on Film and Membrane Sciences
Приглашенный редактор, Atsushi Shoji (Токийский университет фармации и наук о жизни)
Запрос статьи

Принятые статьи (щелкните здесь)

• Разработка портативного флуоресцентного микропланшетного ридера. со стеклянным нагревателем на основе оксида индия и олова для изотермического усиления, опосредованного петлей
  Рио Исии, Казухиро Мориока, Такуя Мизумото, Нацуми Ямасаки, Акихиде Хемми, Ацуши Сёдзи, Хироя Мураками, Норио Тешима, Томонари Умэчима, Ситуа
• , Умэдзима, Катсима,
• и Умэдзима 66 Визуализация ионов двухвалентного железа, растворенных из чистой железной проволоки, в тонких пленках из замороженных водных растворов путем сочетания микроскопии и обработки изображений
  Аринори Инагава, Минами Маеда и Нобуо Уехара
• Количественная оценка плотности зонда ДНК с помощью электрохимических измерений поверхностного плазмонного резонанса,
  Takuma Sasmon Resonance Measurement
  Takuma Sasmon Resonance Measurement Каори Масуда, Зиксин Чжан, Тацухико Ядзима, Хидзири Хасэгава, Йедж Я Ким и Осаму Нива
• Метод контроля внутриклеточной активности белков с использованием светочувствительных наночастиц
  Шухей Мураяма, Нориаки Коно, Такаши Такаки и Масару Като
• Биосенсоры на основе липосом и диагностические агенты для визуализации
  Нобухито Хамано и Йо Специальный выпуск по беспроводным сетевым технологиям IoT для обеспечения жизни и безопасности
  Приглашенный редактор, Тошихиро Ито (Токийский университет) и Цзян Лу (Национальный институт передовых промышленных наук и технологий)
  Запрос статьи
  

• Принятые статьи (щелкните здесь )

Специальный выпуск о последних достижениях в области мягких вычислений и датчиков для промышленных приложений
Приглашенный редактор, Чи Сянь Ся (Национальный университет Илана)
Запрос статьи


• Принятые статьи (нажмите здесь)
  • Измерение фракции выброса и региональные Оценка аномального движения стены с использованием нейронных сетей с глубоким обучением в области левого желудочка
    Шань-Бинь Чан, Юань-Чун Лай, Вэй-Тинг Чанг, Го-Тинг Тан, Мин-Ши Хуанг, Чжих-Ченг Чен и Юнг-Яо Чен
  • Всенаправленная ультразвуковая локализация для мобильных роботов
    Чен- Chien Hsu, Hsin-Chuan Chen, Ching-Chang Wong и Chien-Yu Lai
  • Экспертная интеллектуальная система осмотра кожи головы с использованием глубокого обучения
    Sin-Ye Jhong, Po-Yen Yang и Chih-Hsien Hsia
  • Image-to -Перевод изображений через сети согласованности контуров
    Hsiang-Ying Wang, Hsin-Chun Lin, Chih-Hsien Hsia, Natnuntnita Siriphockpirom, Hsien-I Lin и Yung-Yao Chen

8-й специальный выпуск семинара Next -generation Front-edge Optical Science Research
Приглашенный редактор Ютака Фудзимото (Университет Тохоку) и Такаюки Янагида (Институт науки и технологий Нара)


• Принятые статьи (щелкните здесь)
  • Ростовые, оптические и сцинтилляционные свойства ( Gd0.4Lu0.6) 8Sr2) (SiO4) 6O2 Кристаллы
    Такаюки Янагида, Такуми Като, Дайсуке Накаучи и Нориаки Кавагути
  • Сцинтилляционные свойства полупрозрачной керамики ZnO, легированной литием
    Тосиаки Даисаки Куниката, Такуи Сюи Като, Такуми Като, , и Такаюки Янагида
  • Сцинтилляционные свойства монокристалла органического неорганического иодида свинца перовскита, имеющего структуру квантовых ям
    Кай Окадзаки, Даичи Онода, Дайсуке Накаучи, Наоки Кавано, Хироюки Фукусима, Такуми Като, Нориаки Лакаяги
  • и Нориаки Лакаяги
  • , Нориаки Лакаяги
  • и OSL-свойства керамики из CaF2, легированной медью, полученной методом искрового плазменного спекания
    Такуми Като, Дайсуке Накаучи, Нориаки Кавагути и Такаюки Янагида
  • Влияние допирования Cu на фотолюминесценцию и сцинтилляционные свойства (C6H5C2h5Nh4 Наоки Кавано, Такуми Като, Дайсуке Накаучи, Нориаки Кавагути и Такаюки Янагида
  • Дозиметрический пропер Очки 25Li2O-10MgO-65SiO2, легированные Ce Очки с CaCl2-ZnCl2
    Гота Ито, Хироми Кимура, Дайки Ширатори, Дайсуке Накаучи, Такуми Като, Нориаки Кавагути и Такаюки Янагида
  • Характеристика зависимости концентрации ТМ от дозиметрических свойств NaMgF3 Какаути Какауми, Такэуи Такэу Даисуми Какауми
    Ягуми Такэу , и Такаюки Янагида
  • Радиофотолюминесцентный считыватель изображений для дозиметрии пассивного типа
    Хидехито Нанто, Го Окада, Кадзуки Хирасава, Ясухиро Когути, Вакако Шинозаки, Сатоши Уэно, Юка Янагида 66 и Takamotoyo 900, Francescotillamosical Properties стекол CsBr-BaBr2-ZnBr2, легированных Eu
    Хироми Кимура, Такуми Като, Дайсуке Накаучи, Нориаки Кавагути и Такаюки Янагида
  • Характеристики радиационного отклика Pr3 + -активированных стекол SrO – Al2O3 – TeO2
    Риого Накамори, Наоки Кавано, Акито Такаку, Даичи Онода, Юма Такэбучи, Хироюки Фукусима, Такуми Като, Кэндзи Шиньяно
  • и Такуми Като, Кэндзи Шинозаяки Стимулированные люминесцентные свойства стекол из CaO-B2O3-SiO2, легированных Sn Янагида, Масанори Кошимидзу и Кейсуке Асаи
  • Влияние плотности возбуждения на динамику сцинтилляции CdWO4
    Масанори Кошимидзу, Сатоши Курашима, Ацуши Кимура, Мицумаса Тагучи, Такаюки Янагида, Янагида-Янагида, Мицумаса Тагучи, Такаюки Янагида и Сеуминесценция 900, Янагида Янагида, Ютака Фумисенс и Сеумидзинэс-
  • Кристаллы (Gd, Lu) 2Hf2O7, легированные Pr- и Tb
    Daisuke Nakauchi, Хироюки Фукусима, Такуми Като, Нориаки Кавагути и Такаюки Янагида

Специальный выпуск о материалах, устройствах, схемах и системах для биомедицинского зондирования и взаимодействия
Приглашенный редактор, Такаши Токуда (Токийский институт технологий)


Специальный выпуск по передовым методам и устройствам для дистанционного зондирования
Приглашенный редактор, Лэй Дэн и Фучжоу Дуань (Столичный педагогический университет, Пекин)
Запрос статьи

Специальный выпуск по интеллектуальной мехатронике для сбора энергии
Приглашенный редактор, Дайсуке Яманэ (Университет Рицумейкан)
Запрос на публикацию статьи

Специальный выпуск 2021 года Международная виртуальная конференция «Зеленые материалы, применяемые в фотоэлектрических датчиках» (2021 ICGMAPS)
Приглашенный редактор, Йен-Сун Су (Национальный университет Ченг Кунг), Вэй-Шэн Chen (Национальный университет Cheng Kung) и Chun-Chieh Huang (Университет Cheng Shiu)
Веб-сайт конференции 90 140 Запрос статьи

Специальный выпуск по сбору, обработке и применению измеренных сигналов датчиков
Приглашенный редактор, Сюн-Ченг Линь (Национальный технологический университет Чин-И)
Запрос статьи

Специальный выпуск по биосенсорам и Биотопливные элементы для умного сообщества и умной жизни
Приглашенный редактор, Сейя Цуджимура (Университет Цукуба), Исао Шитанда (Токийский университет науки) и Хироаки Сакамото (Университет Фукуи).
Запрос статьи

Special Issue on Optical, Механические и электрохимические биосенсоры и их применение
Приглашенный редактор, Сигэясу Уно (Университет Рицумейкан)
Запрос статьи

Специальный выпуск Международной мультиконференции по инженерным и технологическим инновациям 2021 (IMETI2021)
Приглашенный редактор, Вен- Hsiang Hsieh (Национальный университет Формозы)
Веб-сайт конференции

Special Issue on Materials, Devices, Circ uits и аналитические методы для различных датчиков (избранные статьи из ICSEVEN 2021)
Приглашенный редактор, Чиен-Юнг Хуанг (Национальный университет Гаосюна), Чэн-Син Сю (Национальный объединенный университет), Джа-Хао Чен (Университет Фэн Цзя) , и Вэй-Лин Сю (Huaiyin Normal University)
Запрос статьи


• Принятые статьи (щелкните здесь)
  • Разработка основанного на глубоком обучении редактора видео для домашних животных
    Chun-Cheng Lin, Cheng-Yu Yeh и Kuan -Chun Hsu
  • Управляемая Bluetooth система парковки на основе технологии позиционирования WiFi
    Hsin-Chuan Chen, Rong-San Lin, Chiou-Jye Huang, Lidan Tian, ​​Xining Su и Haikun Yu
  • Металлографический анализ сфероидизации с использованием нейронных систем с глубоким обучением Сеть
    Rey-Chue Hwang, I-Chun Chen и Huang-Chu Huang
  • Адаптивная оценка скорости с генетическим алгоритмом для векторного синхронного привода с постоянным магнитом
    Yung-Chang Luo, Song-Yi Xie, Chia-Hung Lin, и Инь-Бяо Го

Специальный выпуск о технологиях зондирования и анализа данных для жизненной среды, здравоохранения, управления производством и инженерных / образовательных приложений
Приглашенный редактор, Чиен-Юнг Хуанг (Национальный университет Гаосюн), Рей-Чуэ Хван ( Университет И-Шоу), Джа-Хао Чен (Университет Фэн Цзя) и Ба-Сон Нгуен (Университет Лак Хонг)
Запрос статьи


• Принятые статьи (нажмите здесь)
  • Обнаружение контура чипа на основе изображения в реальном времени Чувство и распознавание
    Бао-Ронг Чанг, Сю-Фен Цай, Чиа-Вей Се и Мо-Лан Чен
  • Оптимизация и планирование пути для одновременной локализации и построения картографирования на основе бинокулярного стереозрения
    Нэн-Шэн Пай, Вэй-Чжэ Хуанг, Пи-Юн Чен и Ши-Ан Чен
  • Разработка системы управления запасами на основе технологии RFID
    Мин-Чжи Чен, Инь-Тин Ченг и Чунг-Ю Сян
  • Система штамповки с автоматической подачей g На основе функции электронного кулачка программируемого логического контроллера
    Chien-Yu Lu, Wen-Yi Houng, Chun-Wan Chang, Sen-Hu Yen, Chia-Liang Tseng и Te-Jen Su
  • Анализ надежности электронного оборудования в радиационной среде
    Cher Мин Тан, Вимал Кант Пандей, Юэ Чан и Цунг Пинг Ли
  • Система ввода кода Морзе с нечетким управлением изображения
    Чунг-Мин Ву, Ченг-Фа Йен, Йеу-Цзюнн Чен, Ши-Чунг Чен и Ченг-Чи Тай
  • Разработка модуля тактильного видоискателя для обнаружения объектов с использованием вибротактильной обратной связи
    Аарон Раймонд Си и Роберто Джейкоб Поликар

Специальный выпуск о датчиках изображения CMOS
Гостевой редактор, Хироши Отаке (nanolux co., ltd.)
Запрос статьи

Специальный выпуск по передовым технологиям дистанционного зондирования и геопространственного анализа
Приглашенный редактор, Донг Ха Ли (Национальный университет Кангвона) и Мён Хун Чжон (Университет Чосун)
Запрос статьи


• Принятые документы (щелкните здесь)
  • Проектирование 3D-модели данных подземных коммуникаций в Корее с использованием расширения домена приложения CityGML
    Да Вун Чжон, Сон Чхоль Ю и Чон Ук Ан
  • Трехмерная визуализация данных о твердых частицах, ориентированных на мегаполисы и города. Районы станции Каннам в Южной Корее
    Се Хун О, Сон Чол Ю и Чон Ук Ан
  • Метод визуального позиционирования в помещении на основе характеристик изображения
    Сюнь Лю, Хе Хуанг и Бо Ху
  • Метод управления трехмерной сценой в сочетании с графиками сцены
    Сян Ван, Тао Шэнь, Лян Хо, Конгнань Го и Су Гао
  • Метод перестановки на основе 3D-модели с использованием алгоритма регистрации формы здания m
    Джихун Кан, Джехи Ли, Хонгсик Юн и Сынджун Ли

Специальный выпуск о передовых технологиях изготовления и применении гибких и деформируемых устройств
Приглашенный редактор, Ван Дау и Хоанг-Фыонг Фан (Университет Гриффита)
Позвоните для статьи

Специальный выпуск по усовершенствованным микро / наноматериалам для различных сенсорных приложений (избранные статьи ICASI 2021)
Приглашенный редактор, Шэн-Джоу Янг (Национальный объединенный университет), Шоу-Джинн Чанг (Национальный университет Ченг Кунг), Лян -Вэнь Цзи (Национальный университет Формозы) и Ю-Джен Сяо (Южно-Тайваньский университет науки и технологий)
Веб-сайт конференции
Запрос статьи

Специальный выпуск о передовых универсальных вычислительных системах для общества 5.0
Приглашенный редактор, Манато Фудзимото (Городской университет Осаки)
Запрос статьи

Термоэлектрические приложения — термоэлектрические

3.0 Приложения для термоэлектрических охладителей

3,1 Применение термоэлектрических модулей охватывает широкий спектр областей продукции. Сюда входит оборудование, используемое военными, медицинскими, промышленными, потребительскими, научными / лабораторными и телекоммуникационными организациями. Диапазон применения варьируется от простых холодильников для еды и напитков для послеобеденного пикника до чрезвычайно сложных систем контроля температуры в ракетах и ​​космических аппаратах.

В отличие от простого радиатора, термоэлектрический охладитель позволяет снизить температуру объекта ниже температуры окружающей среды, а также стабилизировать температуру объектов, которые подвержены сильно изменяющимся условиям окружающей среды. Термоэлектрический охладитель — это активный охлаждающий модуль, тогда как радиатор обеспечивает только пассивное охлаждение.

Термоэлектрические охладители обычно подходят для применений, требующих отвода тепла в диапазоне от милливатт до нескольких тысяч ватт.Большинство одноступенчатых охладителей TE, включая как сильноточные, так и слаботочные модули, способны перекачивать максимум от 3 до 6 Вт на квадратный сантиметр (от 20 до 40 Вт на квадратный дюйм) площади поверхности модуля. Несколько модулей, установленных термически параллельно, можно использовать для увеличения общей производительности теплового насоса. В прошлом большие термоэлектрические системы киловаттного диапазона создавались для специализированных применений, таких как охлаждение на подводных лодках и железнодорожных вагонах. Системы такого масштаба в настоящее время доказывают свою ценность в таких приложениях, как линии по производству полупроводников.

3,2 Типичные области применения термоэлектрических модулей:

• Авионика
• Охлаждение черного ящика
• Калориметры
• CCD (Устройства с заряженной парой)
• CID (Устройства с индуцированным зарядом)
• Холодильные камеры
• Плиты холодные
• Компактные теплообменники
• Бани постоянной температуры
• Осушители
• Гигрометры точки росы
• Охлаждение электронного блока
• Охладители клеток для электрофореза
• Анализаторы окружающей среды
• Измерение плотности тепла
• Ссылка на ледяную точку
• Погружные охладители
• Охлаждение интегральной схемы
• Инерционные системы наведения
• Инфракрасные калибровочные источники и эталоны черного тела
• Инфракрасные извещатели
• Ракеты инфракрасного наведения
• Лазерные коллиматоры
• Охладители лазерных диодов
• Устройства охлаждения длительного действия
• Малошумящие усилители
• Охлаждение микропроцессора
• Охладители ступеней микротома
• Шкафы NEMA
• Аппаратура ночного видения
• Осмометры
• Параметрические усилители
• Корпус фотоэлектронного умножителя
• Генераторы (малые)
• Охлаждение прецизионных устройств (лазеры и микропроцессоры)
• Холодильники и бортовые системы охлаждения (самолет, автомобиль, лодка, гостиница, инсулиновый, переносной / пикник, фармацевтический, RV)
• Диспенсер порций для ресторана
• Самосканирующие системы массивов
• Зонды для полупроводниковых пластин
• Охладители с перемешиванием
• Тепловизоры и оружейные прицелы
• Приборы термоциклирования (анализаторы ДНК и крови)
• Термостат ванны калибровочный
• Подготовка и хранение тканей
• Трубные охладители Vidicon
• Термическая характеристика пластины
• Охладители воды и напитков
• Регулятор температуры влажного процесса
• Винные шкафы

Как добиться контроля температуры с помощью модульной системы Пельтье

Модуль Пельтье, также известный как термоэлектрический модуль, представляет собой мощное устройство для управления температурой, используемое в таких приложениях, как лазерные изделия.Когда через модуль пропускается ток, создается перепад температур, в результате чего одна сторона становится горячей, а другая — холодной. В зависимости от конструкции модуля и приложенного напряжения и тока может быть достигнута разница температур более 100 ° C.

Брюс Роуз, главный инженер по приложениям в CUI Devices

В качестве твердотельного устройства модуль не имеет движущихся частей и может использоваться в электронной системе для охлаждения или нагрева; изменение полярности приложенного напряжения меняет направление потока тепловой энергии.Разработчики часто используют модули Пельтье для охлаждения таких компонентов, как ИС или силовые модули, особенно там, где требуется точный контроль температуры или если принудительного воздушного охлаждения недостаточно. Термоэлектрическая система может быстро реагировать на изменения условий эксплуатации и при необходимости может охлаждать объекты до температуры ниже температуры окружающей среды.

В системе охлаждения охлаждаемое устройство присоединяется к одной стороне модуля Пельтье, а радиатор — к другой (рис. 1). Как также показано на рисунке 1, для подачи тока на работу модуля необходим внешний источник питания.

Может применяться обратная связь с обратной связью с использованием датчика температуры на охлаждаемом устройстве для управления подачей питания на модуль. Радиатор, показанный на рис. 1, должен быть такого размера, чтобы справляться не только с теплом, передаваемым от присоединенного компонента, но и с теплом, рассеиваемым за счет электрического тока, подаваемого для работы модуля.

Рисунок 1. Основные элементы термоэлектрической системы охлаждения.

Проектирование термоэлектрической системы

Температурные требования приложения определяют первоначальный выбор элемента Пельтье.К ним относятся тепловая мощность, передаваемая через модуль, максимальный перепад температур и максимальная температура горячей стороны. Когда подходящий модуль определен, разработчики могут рассчитать ток и напряжение, необходимые для достижения желаемого перепада температур.

Стандартные линейки модулей Пельтье, такие как семейство термоэлектрических охладителей CUI Devices, обычно предлагают разработчикам несколько вариантов, которые удовлетворяют тепловым требованиям приложения с соответствующими значениями напряжения и тока.Блог CUI «Как выбрать модуль Пельтье» представляет более подробное обсуждение выбора устройства.

Самый простой способ выяснить, как управлять модулем Пельтье для поддержания заданной температуры, — это сначала рассчитать необходимый ток в зависимости от передаваемой тепловой мощности и разницы температур в модуле. Это можно прочитать непосредственно из графиков в техническом описании модуля, на которых показана зависимость тепловой мощности от разницы температур для различных значений тока.Затем, используя графики зависимости напряжения от разницы температур из таблицы данных, необходимое напряжение может быть считано непосредственно с графика при выбранном значении тока.

Если указанное напряжение подается непрерывно без управления с обратной связью (рис. 2), модуль будет работать при таком уровне передачи мощности и перепаде температур, которые можно определить из таблицы данных.

Рис. 2. Работа при постоянном напряжении без обратной связи по температуре обеспечивает передачу на уровне мощности и при разнице температур, как указано в таблице данных.

Замыкание цикла

Если модуль требуется для охлаждения устройства до определенной температуры, температура измеряется, как показано на рисунке 1, и данные передаются обратно для управления подаваемым напряжением или током. Датчик температуры может быть термопарой, твердотельным датчиком температуры или инфракрасным датчиком.

Каскад широтно-импульсной модуляции обычно реализуется на выходе стандартного источника питания, как показано на рисунке 3, для управления напряжением, подаваемым на модуль.Каскад ШИМ добавляется извне, потому что многие выходы источников питания не позволяют достаточно широкий диапазон регулировки для достижения минимального и максимального напряжений, необходимых для управления модулем Пельтье.

Рекомендуется использовать фильтр на выходе ШИМ для уменьшения пульсаций, которые могут снизить коэффициент полезного действия модуля (COP). Желательно максимальное значение пульсации около пяти процентов, поскольку чрезмерная пульсация также может вызвать проблемы с электрическими шумами в охлаждаемом устройстве.

Рисунок 3.Обратная связь по температуре управляет выходным каскадом ШИМ для регулировки приложенного напряжения.

Кроме того, полоса пропускания контура тепловой обратной связи должна быть небольшой, что означает, что ее можно спроектировать разными способами. Поскольку полярность приложенного напряжения определяет направление теплопередачи (рисунок 4), подходящие средства изменения полярности позволяют системе либо охлаждать, либо нагревать целевой объект.

Рисунок 4. Полярность приложенного напряжения определяет направление теплопередачи.

Ручка самонагрева

Как упоминалось ранее, модуль Пельтье сам генерирует тепло в дополнение к теплу, исходящему от охлаждаемого объекта. Следовательно, радиатор должен иметь возможность рассеивать это собственное тепло в дополнение к теплу, передаваемому через модуль от охлаждаемого объекта.

Если модуль работает с низким КПД, что может произойти, если применяется неадекватная фильтрация источника питания, тепловая мощность из-за самонагрева может быть больше, чем мощность, передаваемая от охлаждаемого объекта.Температура окружающей среды и мощность радиатора определяют максимальную рабочую температуру модуля и общее тепловыделение системы.

Заключение

Модуль Пельтье может быть эффективным инструментом для управления температурой объекта, особенно если желаемая уставка ниже температуры окружающей среды. В качестве твердотельного устройства модуль Пельтье обычно меньше, легче и более энергоэффективен, чем обычная система терморегулирования, содержащая компрессор и рассеивающий нагреватель.Излучение электрического и акустического шума также обычно ниже.

Кроме того, термоэлектрическая система может работать в любой физической ориентации, при этом не требуя специальных компонентов для проектирования системы. Это делает термоэлектрический контроль температуры привлекательным вариантом, когда требования к производительности высоки, а пространство, время и бюджет разработки могут быть ограничены.

Дополнительная литература

Ознакомьтесь с ассортиментом охлаждающих устройств Пельтье от CUI Devices.

Прочтите блог «Как выбрать модуль Пельтье» в блоге CUI Devices, чтобы узнать больше о выборе правильного модуля для вашего приложения.

Гибкие двухпараметрические датчики температуры и давления с автономным питанием, использующие органические термоэлектрические материалы на основе микроструктуры

Изготовление основных механизмов и устройств

Для устройства MFSOTE активный слой создается путем осаждения органических термоэлектрических материалов на деформируемые микроструктурные рамы для обеспечения их чувствительности к температуре и давлению. В соответствии с типичным термоэлектрическим механизмом генерируемое напряжение ( В _therm ) MFSOTE определяется как В _therm = S _T × Δ T , где S _T — коэффициент Зеебека, а Δ T — температурный градиент на устройстве.Когда устройство подвергается воздействию объекта со связанными стимулами температуры и давления, разница температур между объектом и устройством определяется с помощью термоэлектрического эффекта, что приводит к мгновенному измерению температуры поверхности, когда устройство имеет постоянную базовую температуру, подобную коже. (Рис. 1a – d). Между тем каркас микроструктуры деформируется в результате действующей силы, что приводит к изменению сопротивления активного слоя в зависимости от смещенного давления (рис.1e – f). Таким образом, стимулы температуры и давления могут быть обнаружены отдельно и одновременно (рис. 1g – h).

Рис. 1: Наглядная схема и электрические характеристики устройств MFSOTE.

( a — h ) Схематическое изображение механизма измерения температуры и давления ( T — P ): ( a , b ) в чистом виде. ( c , d ) температурный градиент (Δ T ) применяется к устройству MFSOTE.( e , f ) давление загружается. ( г , ч ) загрузка связанных стимулов температуры и давления. На графике ( i , j ) показаны измеренные кривые I — V устройства MFSOTE, полученные при различных Δ T ( i ) и различном давлении нагрузки ( j ). Временная задержка ( i , j ) между контактом и измерением электрического сигнала составляет 10 с.

Как упоминалось выше, чувствительность устройства MFSOTE к температуре и давлению определяется термоэлектрическими свойствами и свойствами деформации под давлением материалов MFSOTE.Используя термоэлектрический материал и микроструктурированный каркас, а именно поли (3,4-этилендиокситиофен): поли (стиролсульфонат) (PEDOT: PSS) и пористый полиуретан (PU), мы изготовили материалы MFSOTE путем простого погружения микроструктурированного PU (60 пор на дюймов (ppi)) в PEDOT: растворе PSS с 5 об.% этиленгликоля (EG; дополнительный рисунок 1). Затем однородная пленка PEDOT: PSS была нанесена на сетку из полиуретана (дополнительный рис. 2). Изготовление устройства было завершено ламинированием двух проводящих пленок на активном слое для получения структуры устройства типа «сэндвич».Обратите внимание, что в качестве функциональных материалов использовались коммерческие материалы, и весь процесс изготовления устройства легко масштабируется. Все результаты, представленные в основной рукописи, были получены с использованием композита PU – PEDOT: PSS, в то время как другие проводящие полимеры были протестированы, и результаты представлены в дополнительной информации.

Чувствительные характеристики устройства MFSOTE

Как показано на рис. 1i, типичная кривая I — V наблюдалась без приложения температуры или давления, что указывает на четко определенные электрические свойства устройств MFSOTE.Однако кривая I — V явно сдвинута, со значениями V _therm 173 и 345 мкВ при постоянной разнице температур 5 и 10 K соответственно из-за термоэлектрического эффекта слоя PEDOT: PSS. . Для сравнения, сопротивление устройства MFSOTE уменьшилось с 8,8 до 5 кОм при давлении смещения от 1 до 2 кПа (рис. 1j, дополнительный рис. 3). Следует отметить, что температурные стимулы оказали ограниченное влияние на электрическое сопротивление, а сигнал давления оказал незначительное влияние на V _therm (дополнительный рис.4). Эти свойства позволили раздельно измерять стимулы температуры и давления с использованием изменения напряжения и тока, соответственно, в качестве считываемых сигналов.

Сначала мы измерили зависящее от температурного градиента (Δ T ) термоэлектрическое напряжение, генерируемое устройствами MFSOTE, чтобы оценить температурную чувствительность изготовленных устройств. На рис. 2а, б представлено измеренное выходное напряжение как функция разности температур от 0,1 до 100 К. Примечательно, что даже небольшое значение Δ T , равное 0.1 К был четко обнаружен с В _therm > 3 мкВ. Это означает, что точное температурное разрешение <0,1 К может быть достигнуто при использовании типичного микровотметра (с внутренним сопротивлением 1 МОм) для измерения сигнала В _therm (дополнительное примечание 1). В результате четко определенной линейной зависимости V _therm -Δ T было извлечено умеренное S _T 32,8 ± 2,7 мкВ / К, что согласуется со значением PEDOT, обработанного ЭГ. : Пленка PSS (31.1 ± 3,1 мкВ / К). Воспроизводимое и стабильное термоэлектрическое преобразование позволяет чувствительно определять температуру поверхности MFSOTE (дополнительные рисунки 5 и 6).

Рисунок 2: Электрические характеристики устройств MFSOTE.

( a ) Выходное напряжение устройства MFSOTE в диапазоне смещенного температурного градиента 0-100 К. На вставке показан увеличенный ответный сигнал устройства MFSOTE на температурный градиент 0,1 К. ( b ) Измерено выходное напряжение как функция температурного градиента.( c ) Текущий отклик устройства MFSOTE на различные давления при постоянном напряжении 0,1 В. На вставке показан усиленный сигнал отклика на давление 100 Па. ( d ) Текущие отклики устройств MFSOTE на различные давления . Столбцы ошибок на графике ( b , d ) представляют стандартное отклонение. ( e ) Разрешенные во времени ответы устройства MFSOTE на стимулы температуры и давления. Розовая и серая зоны представляют время отклика и время релаксации соответственно.( f ) Испытание на долговечность устройства MFSOTE под давлением 1 кПа.

Учитывая, что температура нижнего электрода ( T ₀ ) может нагреваться, когда верхний электрод находится в контакте с температурным сигналом ( T _S ) в течение длительного времени, мы нанесли медный термопара на нижнем электроде и измерила T ₀ , когда горячие предметы с разным T _S находятся в контакте с устройством в течение разного времени (дополнительный рис.7). Для отдельно стоящего устройства MFSOTE температура нижнего электрода, очевидно, увеличивалась при увеличении T _S с 25 до 75 ° C. Другое явление наблюдалось при ношении устройства на теле человека. Когда горячий объект находится в контакте с устройством в течение короткого времени, не наблюдалось явного изменения T ₀ из-за постоянной температуры кожи человека. Когда горячий объект находился в контакте с устройством в течение длительного времени, значение T ₀ увеличивалось, когда T _S превышало 60 ° C.Следует отметить, что не наблюдалось явного изменения T ₀ , когда температура горячего электрода ниже 60 ° C. Этот результат демонстрирует, что точное измерение температуры может быть достигнуто при нормальной динамической работе с типичными условиями окружающей среды в реальном времени.

Мы также исследовали характеристики MFSOTE в зависимости от давления, чтобы оценить их способность реагировать на давление. Как показано на рис. 2c, d, устройства показали заметно увеличивающийся ток при увеличении давления в диапазоне от 0.От 1 до 20 кПа, даже при работе при низком рабочем напряжении 0,1 В. Чувствительность наших устройств к давлению определяется как S = (Δ I / I ₀ ) / Δ P , где Δ I — изменение тока под действием давления, I ₀ — начальный ток датчика без нагрузки давлением, а ΔP — изменение приложенного давления. Уникальная структура микроструктуры наших устройств MFSOTE позволяет достичь чувствительности к высокому давлению 27.9 кПа ^-1 . Насколько нам известно, эта чувствительность является одним из наиболее заметных значений для гибкого резистивного датчика давления ^13,20 . Превосходные характеристики устройств MFSOTE по двойному параметру измерения температуры и давления позволяют удовлетворить требования к мониторингу для различных приложений.

Для устройства MFSOTE, состоящего из PEDOT: PSS и микроструктурированного PU, генерирование напряжения, вызванное температурным градиентом, определяется термоэлектрическими свойствами PEDOT: PSS, как указано выше ( В _therm = S _T × Δ Т ).В случае PEDOT: PSS (5 об.% ЭГ) температура окружающей среды оказывает ограниченное влияние на коэффициент Зеебека в температурном режиме от 0 до 100 ° C, а смещенное давление явно не влияет на коэффициент Зеебека (дополнительный рисунок 4). . В результате может быть реализовано точное измерение температуры.

Изменение тока, вызванное давлением, определяется контактным сопротивлением электрода / MFOTE, контактным сопротивлением соседнего PU – PEDOT: поры PSS и изменения сопротивления возникают в результате уменьшения толщины сжатых устройств (дополнительные рисунки 8 и 9).Во всех этих изменениях сопротивления преобладает деформация, вызванная давлением с двумя режимами, что отражается в сопоставимых пьезорезистивных характеристиках устройства с механическими характеристиками материалов MFSOTE (дополнительные рисунки 8–10). Для нашего устройства MFSOTE на основе PU – PEDOT: PSS зависимость деформации от давления может быть выражена следующим образом (подробное обсуждение приведено в дополнительном примечании 2):

, где P — давление смещения, E — модуль упругости. , ɛ — деформация, K, — параметр, связанный с модулем Юнга материала твердой стенки ячеек, n _f , на который влияет плотность, — показатель деформационного упрочнения пенопласта, полученный путем подбора мощности –Правовая связь с контрольными точками кривой напряжение – деформация.Учитывая, что модуль упругости и плотность являются типичными параметрами, которые определяли взаимосвязь между напряжением и деформацией MFSOTE в двух разных режимах, в характеристиках измерения давления устройств MFSOTE преобладают механические и структурные свойства микроструктурных полиуретановых рам, а не PEDOT: PSS. Этот вывод может быть подтвержден характеристиками измерения давления устройств MFSOTE в зависимости от плотности пор ПУ (дополнительные рисунки 11 и 12). Большая плотность пор приводит к повышенной деформации при фиксированном давлении и приводит к улучшенным характеристикам измерения давления.Примечательно, что на чувствительность измерения давления в основном влияют изменения проводимости, вызванные температурой, во время процесса измерения. Однако в случае PEDOT: PSS (5 об.% ЭГ) температура оказывает незначительное влияние на проводимость в большом температурном режиме от 0 до 100 ° C ³⁸ . Эти уникальные свойства делают PEDOT: PSS (5 об.% ЭГ) отличным кандидатом для использования в качестве отдельных двухпараметрических датчиков температуры и давления.

Поскольку определение давления и температуры устройства MFSOTE определяется различными материалами с различными электрическими параметрами, мы можем сделать вывод, что характеристики измерения давления и температуры могут модулироваться независимо друг от друга с помощью несущих рам и термоэлектрических материалов.Путем нанесения типичных органических термоэлектрических материалов, таких как поли (3-гексилтиофен) (P3HT) и поли (2,5-бис (3-тетрадецилтиофен-2-ил) тиено [3,2-b] тиофен) (PBTTT), на пористый полиуретан. поддерживающие рамы, мы успешно сконструировали несколько устройств MFSOTE с замечательными характеристиками измерения температуры и давления (дополнительные рисунки 13 и 14). Достигнут высокий коэффициент Зеебека до 179–200 мкВ K ^–1 , который упрощает чувствительное определение температуры. Хотя небольшое снижение чувствительности к давлению (17.5-20,0 кПа ^-1 ) из-за повреждения растворителем структуры полиуретановых рамок, эту проблему следует решить с помощью альтернативных растворителей. Чтобы подтвердить наш вывод, мы обработали каркас из полиуретана o -дихлорбензолом перед нанесением покрытия PEDOT: PSS. Мы получили аналогичные изменения тока, вызванные давлением, с устройствами на основе PBTTT и P3HT (дополнительный рисунок 15). Кроме того, в качестве микроструктурированной опорной рамы можно использовать различные типы тканевых материалов, включая пористую повязку на основе полиуретана, переплетенную целлюлозу и кашемир с сетчатой ​​структурой, что позволяет создавать различные типы устройств MFSOTE для различных применений (дополнительный рис.16). Таким образом, предлагаемая нами стратегия включения материалов TE с поддерживающей микроструктуру каркасом может служить общим подходом к разработке датчиков температуры и давления с настраиваемой чувствительностью.

Время отклика и стабильность

Время отклика и стабильность являются важными параметрами для физических датчиков. Благодаря своей микроструктуре и термоэлектрическому механизму считывания, наш MFSOTE мгновенно реагировал на приложенный сигнал давления и температуры.Используя осциллограф для измерения изменения напряжения на резисторе 10 кОм при постоянном напряжении 2,2 В, MFSOTE показал мгновенный отклик на приложенное давление 1 кПа. Измеренные характеристики давления и время релаксации были <20 мс (рис. 2e, дополнительный рис. 17). В отличие от быстрого реагирования на давление, устройство показало умеренное время отклика на температуру <2 с при разнице температур 1 К (рис. 2e). Время отклика соответствует времени отклика устройства при термодиффузии (∼1.7 с), что указывает на то, что время отклика при измерении температуры ограничено температуропроводностью композитного материала (0,66 мм ² с ^-1 ). Кроме того, время отклика при измерении температуры, которое немного зависит от температуры и давления (дополнительные рисунки 18 и 19), согласуется с таковыми у многих коммерческих и ранее заявленных датчиков температуры ^39,40 . Стоит отметить, что и чувствительность, и время отклика наших изготовленных устройств могут соответствовать требованиям многих систем искусственного интеллекта.Что еще более важно, устройства MFSOTE демонстрируют отличную стабильность, о чем свидетельствуют их незначительные зависящие от температуры окружающей среды коэффициент Зеебека и сопротивление в температурном режиме 0–100 ° C (дополнительный рис. 4c), их устойчивый отклик по току на давление нагрузки 1 кПа, и их устойчивые термоэлектрические характеристики после 10 ⁴ циклов в испытании на нагрузку-разгрузку (рис. 2f и дополнительный рис. 20).

Работа устройств MFSOTE с автономным питанием

Создание устройств со сверхнизким энергопотреблением или датчиков с автономным питанием представляет собой значительный шаг вперед в разработке устойчивых гибких датчиков.Для устройства MFSOTE измерение температуры поверхности может выполняться без дополнительного источника питания из-за внутреннего термоэлектрического механизма измерения температуры. Хотя термоэлектрические материалы PEDOT: PSS, нанесенные на поверхность несущей микроструктуры каркаса, можно использовать в основном в качестве самоинтегрированного источника питания для обнаружения смещенного давления, выходное напряжение обычно ниже 1 мВ в естественных условиях. Примечательно, что мы заметили, что характеристика давления MFSOTE не зависит от напряжения смещения в широком диапазоне, от 30 мкВ до 1.5 В (дополнительный рисунок 21). Таким образом, устройство MFSOTE может работать как устройство с автономным питанием (без учета измерительных схем) при наличии небольшого температурного градиента. Как показано на рис. 3a, b, сравнимые отклики тока на фиксированное давление наблюдались, когда градиент температуры поддерживался на уровне 1-30 К (с термоэлектрическим напряжением> 30 мкВ). В частности, высокая чувствительность к давлению с автономным питанием, равная 4,3 и 28,9 кПа ⁻¹ , была реализована независимо от температурного градиента в режимах низкого (<3 кПа) и высокого (> 3 кПа) давления соответственно (рис.3b, дополнительный рис. 22). Эти значения сопоставимы с показателями устройства, работающего от дополнительного источника питания. Поскольку в естественной среде можно легко создать температурный градиент в 1 К или более, наши устройства могут иметь автономное питание для практических приложений.

Рис. 3: Характеристики датчиков MFSOTE с автономным питанием.

( a ) Текущий отклик датчика MFSOTE с автономным питанием на давление 1 кПа, измеренное при различных перепадах температур (0, 1, 5 и 10 K).( b ) Реакция давления на изменения тока, вызванные различными температурными градиентами. Планки погрешностей представляют стандартное отклонение. ( c , d ) Графики, показывающие реакцию датчика MFSOTE по току и выходному напряжению на циклы нагрузки-разгрузки ( c ) при постоянном давлении 5 кПа и прикосновении пальца ( d ). Температура измерения на верхней поверхности рассчитывается по формуле T _S = V _therm / S _T + T ₀ , где T ₀ — температура окружающей среды ( 25.0 ° С).

Чтобы оценить возможности автономного питания и одновременного обнаружения сконструированных устройств, мы отслеживали изменение тока и реакцию выходного напряжения устройства MFSOTE на циклы нагружения-разгрузки температуры-давления (рис. 3c, d). Устройство MFSOTE продемонстрировало повторяемое изменение тока и реакцию V _therm на комбинированный сигнал при фиксированном давлении 5 кПа и температуре 20,7 ° C. Устройство распознало небольшую разницу в давлении между серией мягких прикосновений пальцами (от 1 до 5 кПа) на одном MFSOTE, тогда как контролируемая температура (32.7 ° C) не изменилась из-за постоянной температуры пальца. Функции автономного питания и двойного измерения параметров устройств MFSOTE предполагают, что устройства потенциально могут использоваться для долгосрочного мониторинга (дополнительный фильм 1). В качестве демонстрации мы сконструировали устройство MFSOTE на полиуретановой повязке для автономного мониторинга пульса на запястье (дополнительный рис. 23). На дополнительном рисунке 23c представлен мониторинг волн давления в режиме реального времени при нормальных условиях и после физических упражнений. Была получена типичная форма импульсного давления с различимыми пиками ⁴¹ .Частота пульса в артериях в спокойном состоянии составляет 75 ударов в минуту, а при физической нагрузке пульс сокращается быстрее с частотой ~ 105 ударов в минуту.

Учитывая тепловую диффузию в воздухе, бесконтактное измерение и мониторинг температуры окружающей среды должны достигаться, когда поддерживается базовая температура MFSOTE. На рисунке 4 представлен результат контрольного теста в реальном времени устройства MFSOTE с автономным питанием, когда нагретый элемент приближается к нашему сенсорному устройству. В отличие от незначительных изменений как температуры, так и давления, когда нагревательное устройство находилось на расстоянии> 5 мм от устройства MFSOTE, явное повышение температуры было обнаружено после того, как расстояние уменьшилось до <2 мм (рис.4а – г, и). Когда произошел механический контакт, температура поверхности поддерживалась на высоком уровне (26,8 ° C), а контролируемое давление постоянно увеличивалось со 100 Па до 5 кПа при движении шагового двигателя (рис. 4e – i). Результаты были подтверждены бесконтактным измерением теплового сигнала приближающегося пальца и температуры наружного воздуха с помощью носимого устройства MFSOTE (дополнительный рис. 23d – f). Это свойство обеспечивает бесконтактное отображение тепловых стимулов (дополнительный рис. 24) и / или интеллектуальную работу новых интеллектуальных устройств.

Рис. 4. Мониторинг температуры и давления в реальном времени.

( a , c , e , g ) Принципиальная схема и ( b , d , f , h ) инфракрасные тепловые изображения устройства MFSOTE, к которому обратился Пельтье элемент (27 ° C). Распределение температуры регистрировалось одновременно с помощью FLIR A300. Стрелка указывает направление движения элемента Пельтье. ( i ) Графики выходного напряжения и тока в реальном времени устройства MFSOTE, к которому приблизился элемент Пельтье (27 ° C).

Самоинтегрированные свойства сенсорной матрицы по выработке энергии

В качестве внутреннего термоэлектрического устройства наши изготовленные устройства MFSOTE также могут использоваться в качестве генераторов электроэнергии. Интересно, что устройства можно заставить переключаться с модели выработки энергии на модель восприятия стимулов путем введения переключателя, индуцируемого давлением, между двумя MFSOTE в массиве устройств (подробное описание приведено в разделе «Методы» и на дополнительных рисунках 25 и 26). На рис. 5a, b представлены фотография и принципиальная схема, соответственно, массива MFSOTE с устройствами 4 × 4 пикселей.Когда к массиву устройств применялся температурный градиент, устройства работали в режиме выработки электроэнергии, поскольку устройства MFSOTE были подключены последовательно для создания накопленного выходного напряжения (рис. 5c). После того, как на устройство нагружено давление ≥1 кПа, переключатель может отсоединить устройство MFSOTE от других устройств, чтобы обеспечить автономный мониторинг давления и температуры (рис. 5d). В качестве примера мы наблюдали высокое напряжение 10,1 мВ, когда умеренный перепад температур 18 K был нагружен на построенный массив устройств (рис.5д). Легкое прикосновение пальца к одному устройству вызвало воспроизводимый переход от модели выработки энергии к модели измерения, о чем свидетельствуют мгновенно обнаруженные показания температуры и давления 32,5 ° C и 1-6 кПа, соответственно, в течение пяти циклов касания. Более того, должно быть достигнуто эффективное отображение воспринимающих стимулов, поскольку отдельный сигнал может быть записан, даже если более одного пикселя загружается одновременно в массив устройств (дополнительные рисунки 27 и 28). Сочетание способности наших устройств MFSOTE генерировать электроэнергию и их превосходных чувствительных характеристик делает эти устройства применимыми в качестве чувствительных элементов, собирающих энергию.

Рис. 5. Многофункциональное приложение сенсорной матрицы на основе MFSOTE.

Графики ( a , b ) показывают фотографию и принципиальную схему, соответственно, массива MFSOTE с 4 × 4 пикселями. На графиках ( c , d ) показаны схематические изображения интегрированного массива: ( c ) Все устройства, соединенные последовательно, могут использоваться в качестве генератора электроэнергии для сбора энергии. ( d ) Устройство переключается на модель двухпараметрического датчика с автономным питанием при воздействии внешнего давления.На вставках к графику ( c , d ) показаны увеличенные изображения схемы соединения между двумя пикселями в условиях разгрузки и нагрузки, соответственно. ( e ) Реакции термоэлектрического напряжения (вверху), температуры (в центре) и давления (внизу) массива MFSOTE на пять циклов касания пальцами. Нижняя поверхность массива MFSOTE нагревается элементом Пельтье.

Гибкая сенсорная матрица для приложения с искусственным интеллектом

Для удовлетворения критических требований носимых интеллектуальных систем и медицинских приложений требуется создание сенсорной матрицы MFSOTE с выдающейся гибкостью для производства сенсорных устройств с пространственным разрешением.Особо следует отметить, что очень желателен простой метод интеграции, обеспечивающий низкую стоимость и широкую применимость. Поэтому мы построили гибкий массив MFSOTE размером 12 × 12 пикселей с размерами 4,6 × 4,6 см ² на полупрозрачной тканевой перчатке (толщиной 500 мкм), используя простой метод печати штампом (рис. 6a, b). Все устройства показали сопоставимые характеристики чувствительности для связанного сигнала температуры и давления. Благодаря своей равномерной чувствительности и превосходной гибкости, массив MFSOTE можно носить на протезе для получения пространственно разрешенных изображений с тонкими функциями визуализации как для температуры, так и для давления.На рис. 6а показана фотография рукопожатия с протезом руки взрослой женщины. Контактная информация была собрана путем мониторинга температуры и давления на реконструированной карте, как показано на рис. 6b. Изменения температуры и смещенного давления хорошо соответствовали цвету пикселей на отдельной карте распределения (рис. 6). Стоит отметить, что устройство может хорошо работать при высокой температуре 130 ° C (дополнительный рис. 29), что дает возможность их многообещающего применения в робототехнике и интеллектуальных носимых элементах даже для защиты руки, чтобы взять горячий предмет.

Рис. 6. Фотографии и характеристики гибких матриц MFSOTE.

( a ) Фотография протеза руки по армрестлингу взрослой женщины. График ( b ) отображает профили отображения температуры и давления сигналов пикселей на тыльной стороне протеза руки. График ( c ) показывает прикосновение электронного пальца к кубику льда. На вставке показано изображение, полученное с помощью оптического микроскопа, матрицы MFSOTE, отпечатанной на струйном принтере. Шкала шкалы 1 мм. ( d ) Сфотографируйте карты температуры и давления сенсорной матрицы.

Кончик пальца, являясь одним из наиболее чувствительных участков кожи человека, может распознавать стимулы температуры и давления с особенно высоким пространственным разрешением. Это делает создание искусственного кончика пальца более сложной задачей, чем создание обычной электронной кожи. Поэтому создание высокоинтегрированного массива MFSOTE имеет жизненно важное значение для удовлетворения требований так называемого электронного пальца. Используя технику струйной печати, мы изготовили массив MFSOTE размером 2 × 3 см ² площадью (0.25 мм ² на каждый пиксель) с 1350 пикселями на тканевой рамке. На рисунке 6c показаны фотографии матрицы MFSOTE, отпечатанной на струйном принтере, на кончике пальца. Когда кончик пальца касается крошечного кубика льда с площадью контакта 1,4 × 1,4 мм ² (4 пикселя), информация о давлении (2–3 кПа) и температуре (0–5 ° C) с пространственным разрешением была собрана на реконструированной карте. (Рис. 6d). Эти результаты предполагают превосходное пространственное разрешение и возможность измерения двух параметров нашей сенсорной матрицы.

Электротермический преобразователь — MATLAB

Описание

Блок Peltier Device представляет преобразователь между электрическая и тепловая энергия:

• При отсутствии тока, если температура представлена ​​на тепловом порте B выше, чем температура, представленная на тепловом порте A , то имеется положительная разность потенциалов, измеренная от положительный к отрицательному электрическому порту.

• Когда блок действует как охлаждающее устройство, положительный ток заставляет тепло течь от порт A к порту B , порт охлаждения A относительно порта B .

Определяющими уравнениями являются:

QA = αTAI − 12I2R + K (TA − TB) QB = −αTBI − 12I2R + K (TB − TA) W = VIW + QA + QB = 0

где :

• Q _A — тепловой поток в порт А .

• Q _B — тепловой поток в порт В .

• T _A порт A температура.

• T _B порт B температура.

• Вт — электрическая мощность (положительная при протекании в блокировать).

• V — разность потенциалов между + и — порта.

• I — электрический ток, плюс от + до — порт.

• R — полное электрическое сопротивление.

• α — коэффициент Зеебека.

• K — теплопроводность.

Замена мощности и деление всех членов на ток дает электрическую уравнение:

Блок имеет переменную регистрации power_dissipated ( Dissipated мощность ).Эта переменная сообщает электрическую мощность постоянного тока, то есть среднее значение электрическая мощность в течение одного цикла переменного тока, если вы управляете устройством от источника переменного тока. С точки зрения уравнения равно мгновенному значению I ² R и используется в приложение охлаждения, чтобы указать непродуктивную часть теплового потока. В отоплении В приложении интерпретация рассеиваемой мощности менее полезна.

Технология — термоэлектрическая

Понимание рейтингов кондиционеров

Рейтинги

Термоэлектрические модули:
Традиционно термоэлектрические модули оценивались по двум точкам при двух условиях.Первая точка — это максимальная нагрузка (Qmax) при нулевом градусе дельта-Т, а вторая точка — это максимальная дельта-Т без нагрузки (Q = 0). Нагрузка определяется как количество энергии, отводимой от керамики с холодной стороны. Дельта-Т определяется как разница температур между керамикой на холодной и горячей сторонах. Часто доступны подробные кривые, показывающие производительность в других условиях.

Термоэлектрические системы:
Авторитетные производители систем оценивают термоэлектрические системы в ваттах или БТЕ / час в условиях дельты T.В этом случае нагрузка определяется как количество энергии, отводимой от охлаждающей среды. Для систем с воздушным охлаждением дельта-Т — это разница температур охлаждаемой среды и окружающего воздуха. Охлажденной средой может быть холодная пластина в приложениях с прямым контактом, жидкость, такая как вода, в системах с жидкостным охлаждением и температура возвратного воздуха корпуса в системах кондиционирования воздуха.

Кондиционеры, США:
Стандарты для закрытых кондиционеров в США еще не созданы.Части стандартов, которые касаются номинальных характеристик и условий испытаний, все еще могут быть интерпретированы для закрытых кондиционеров. Эти стандарты, слишком сложные для отображения здесь, определяют, среди прочих параметров, температурные условия, при которых должны производиться оценки. Эти температуры обычно определяются как температура в помещении и температура окружающей среды. Обычно температура в помещении либо ниже, либо равна температуре окружающей среды.

Кондиционеры, Европа:
Европейцы разработали стандарт DIN 3168, который конкретно касается закрытых кондиционеров или охладителей для распределительных коробок.Этот стандарт действительно содержит информацию о температуре, относящуюся к номинальным характеристикам таких кондиционеров. Нагрузка или «полезная холодопроизводительность» — это только полезный явный тепловой поток, который воспринимается устройством для снижения внутренней температуры распределительной коробки. Номинальные температурные условия согласно DIN 3168: температура на входе в испаритель (корпус) и на входе в конденсатор должна быть равной 35 ° C, или для температуры испарителя, равной 35 ° C, и температуры конденсатора, равной 50 ° C, как указано в L35 L50. .

Кривые производительности:
На следующей странице показаны два типа кривых производительности, используемых в отрасли. Обе эти кривые представляют характеристики модели TECA
AHP-1200. Верхняя кривая показана в соответствии с DIN 3168. На этой кривой температуры представлены в абсолютных величинах, ось x представляет температуру на входе в конденсатор (температура корпуса), вертикальная ось представляет полезную холодопроизводительность, а отдельные линии нагрузки представляют различные температура на входе испарителя (температура окружающей среды).Построение вертикальной линии от температуры на входе в конденсатор до определенной линии температуры испарителя и от этого пересечения по горизонтали обеспечивает полезную холодопроизводительность. Нижняя кривая соответствует тому же продукту, представленному в традиционном формате. Здесь температуры представлены в виде разностей. Построение горизонтальной линии от желаемой дельты T до пересечения с выбранной кривой производительности и затем вертикальной оси x обеспечивает холодопроизводительность при этих условиях.Оба типа кривых точно отображают производительность термоэлектрической системы охлаждения.

Номинальное значение производительности, показанное для положительного условия дельта-Т 20 ° F, соответствует действительности. Однако TECA не считает, что дельта-Т 20 ° F является допустимым условием для кондиционирования воздуха. Это значение показано только в целях обеспечения конкурентного паритета с теми производителями, которые выбирают это условие для оценки своей продукции. Рейтинг производительности, указанный при положительном условии дельта-Т 20 ° F, больше подходит для теплообменников, указанных выше, таких как тепловые трубы, или для конкретных применений, где это должно быть четко указано.

Понимание различных кривых производительности

.