Элемент пельтье применение: Что такое элемент Пельтье и как его сделать своими руками?

+59 +108

принцип работы, области применения, сборка

Исследовательская часть

Собственно, почему элемент Пельтье? Гораздо логичнее приобрести фонарик с мышечным приводом («жужелицу»), солнечными батареями, или, на худой конец, построить ветряк. Раньше я тоже думал, что вполне можно обойтись «жужелицей». Но в ней очень много движущихся деталей, которые сделаны дядюшкой Ляо из дешевого пластика. Первая поломка в условиях Большого Песца – и ты остаешься без электричества. Хорошо, спросите вы, почему не солнечные батареи? Там нет движущихся частей. Согласен, отвечу я, но в условиях ядерной или вулканической зимы или под двухметровым бетонным перекрытием убежища солнышко не так-то легко поймать.

Ветряк? А какой площади должны быть его лопасти для того, чтобы он мог крутиться даже от слабого ветра? Движущиеся детали, опять же. Ветряк годится для стационарной установки при оборудовании долговременного укрытия.

Элемент пельтье своими руками

Изготовить устройство в домашних условиях практически невозможно, тем более это не имеет особого смысла, учитывая его невысокую рыночную стоимость.

Но большинство умельцев все же предпочитает мастерить элемент пельтье своими руками, ссылаясь на ряд его достоинств:

1. Компактность, удобство установки на самодельное электронное плато.
2. Отсутствие движущихся деталей, что увеличивает сроки его эксплуатации.
3. Возможность соединения нескольких элементов в каскадной схеме для снижения очень больших температур.

Тем не менее, пельтье своими руками имеет определенные недостатки: низкий коэффициент полезного действия (КПД), необходимость подачи высокого тока для получения заметного перепада температуры, сложность отведения тепловой энергии от охлаждаемой поверхности.

Рассмотрим на примере схем, как сделать пельтье своими руками:

• Задействовать его в качестве детали термоэлектрического генератора, согласно рисунку подключения.
• Собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920 (рисунок 1).

Рисунок 1. Элемент пельтье своими руками: универсальная схема

Далее стоит следовать простой инструкции, как сделать пельтье своими руками:

1. Подать на вход получившегося преобразователя напряжение диапазоном 0.8-5.5В, чтобы иметь на выходе стабильные 5В.
2. При использовании устройства обычного типа — поставить лимит температуры нагреваемой стороны в 150 градусов.
3. Для калибровки — в качестве источника тепла использовать емкость с кипящей водой, которая точно не нагреется свыше 100 градусов.

Описание технологии и принцип действия

Способ работы термоэлектрического охладителя достаточно прост. Эффект пельтье своими руками основывается на контакте двух проводников тока, обладающих разным уровнем энергии электронов в зоне своей проводимости.

Рисунок 2. Принцип действия элемента

При подаче электротока через такую связь, электрон приобретает высокую энергию, позволяющую ему перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости второго полупроводника. Когда эта энергия поглощается, происходит остуживание места охлаждения проводников (рисунок 2).

При протекании процесса в обратном направлении — реакция приводит к нагреванию контактного места и обычному тепловому эффекту.

Посмотрев пельтье своими руками видео, можно сделать определенные выводы о принципе его действия:

1. Величина подаваемого тока будет пропорциональной степени охлаждения — если с одной стороны модуля сделать хороший теплоотвод, при использовании радиаторных схем, его холодная сторона обеспечит максимально низкую температуру.
2. При смене полярности тока — нагревающая и охлаждающая плоскости меняются метами.
3. При контакте объекта с металлической поверхностью, он становится настолько мал, что его нельзя увидеть на фоне омического нагрева, других эффектов теплопроводности, поэтому на практике применяют два полупроводника.
4. Благодаря разнообразному количеству термопар — от 1 до 100, можно добиться практически любого показателя холодильных мощностей.

Технические характеристики элемента пельтье

Компонент получил широкое применение в различных холодильных схемах.

Что неудивительно, так как пельтье своими руками имеет следующие технические характеристики:

1. Способен достигнуть низких температур, что служит отличным решением для охлаждения электрических приборов и тех оборудования, подвергающегося нагреву.
2. Прекрасно выполняет работу обычного куллера, что делает возможным его установку в современные звуковые и акустические системы.
3. Абсолютно бесшумен — в процессе работы не издает никаких посторонних и интенсивных звуков.
4. Обладает мощной теплоотдачей при сохранении нужной температуры на радиаторе достаточно продолжительное время.

Термоэлектрический модуль

Элементы Пельтье применение нашли в устройстве, состоящем из множества полупроводников p и n типов. В отличие от транзисторов и диодов, переходные области находятся на границе металла с полупроводником. В модуле Пельтье элементы в большом количестве располагаются между керамическими пластинами, что позволяет сделать устройство мощней.

Каждый элемент содержит 4 перехода на контакте полупроводник-металл. Когда электрическая цепь замкнута, электроны перемещаются от минуса батареи питания к плюсу, проходя через все переходы.

На первом переходе термоэлектрического модуля (ТЭМ) между медной шиной и р-полупроводником в последнем выделяется тепло, так как поток зарядов попадает в область с меньшей энергией.

На другом контакте в полупроводнике поглощается энергия, поскольку электроны «высасываются» электрическим полем, совпадающим с направлением их движения. Там происходит процесс охлаждения.

На третьем контакте энергия электронов поглощается, поскольку полупроводник типа n имеет энергию больше, чем металл.

На четвертом переходе выделяется тепло, так как электроны снова тормозятся электрическим полем.

Таким образом, на одной стороне выделяется тепло, а другая — охлаждается. На одном элементе это явление будет незаметно, но модуль Пельтье, элементы которого располагаются между двумя керамическими пластинами, создает значительный температурный перепад.

Модуль можно применять как генератор электроэнергии, если поддерживать разную температуру пластин. При этом каждый термоэлектрический элемент Пельтье последовательно подключается к соседнему через медные перемычки, и токи их суммируются.

Как работает элемент Пельтье?

Довольно просто применять модуль Пельтье, принцип работы которого заключается в выделении или поглощении тепла в момент контакта разных материалов при прохождении через него энергетического потока электронов перед контактом и после него отличается. Если на выходе она меньше, значит, там выделяется тепло. Когда электроны в контакте тормозятся электрическим полем, они передают кинетическую энергию кристаллической решетке, разогревая ее. Если они ускоряются, тепло поглощается. Это происходит за счет того, что часть энергии забирается у кристаллической решетки и происходит ее охлаждение.

В значительной степени это явление присуще полупроводникам, что объясняется большой разностью зарядов.

Модуль Пельтье, применение которого является темой нашего обзора, используется при создании термоэлектрических охлаждающих устройств (ТЭМ). Простейшее из них состоит из двух полупроводников p- и n-типов, последовательно соединенных через медные контакты.

Если электроны движутся от полупроводника «p» к «n», на первом переходе с металлической перемычкой они рекомбинируют с выделением энергии. Следующий переход из полупроводника «p» в медный проводник сопровождается «вытягиванием» электронов через контакт электрическим полем. Данный процесс приводит к поглощению энергии и охлаждению области вокруг контакта. Аналогичным образом происходят процессы на следующих переходах.

При расположении нагреваемых и охлаждаемых контактов в разных параллельных плоскостях получится практическая реализация способа. Полупроводники изготавливаются из селена, висмута, сурьмы или теллура. Модуль Пельтье вмещает большое количество термопар, размещенных между керамическими пластинами из нитрида или оксида алюминия.

Материалы для создания термопар

Очевидно, обычные металлы для создания мощных систем не годятся. Требуются пары с мощностью от 100 мкВ на 1 градус. В последнем случае достигается высокий КПД. Материалами становятся сплавы висмута, сурьмы, теллурия, кремния, селена. К недостаткам компонентов относятся хрупкость и сравнительно малая температура работы. Низкий КПД добавляет ограничений, но с внедрением нанотехнологий появляется надежда, что привычные рамки окажутся преодолены. Учёные среди перспективных направлений называют разработку принципиально новой полупроводниковой базы с поистине уникальными свойствами, включая точное значение энергетических уровней материалов.

Выделение тепла

Холодильный эффект у ТЭМ небольшой, а тепла он выделяет много. Когда его применяют в системном блоке, внутри значительно повышается температура, влияющая на работу остального оборудования. Дополнительными средствами для ее снижения служат вентиляторы и радиаторы, создающие тепловой выхлоп.

Тепловой режим модуля нужно правильно рассчитать, чтобы не было перегрева и не образовывался конденсат на электронных платах

Кулер Пельтье выбирается с оптимальной мощностью, где важно обеспечить правильное соотношение температуры внутри корпуса, объекта охлаждения и влажностью воздуха

Практический опыт с элементом Пельтье

Выглядеть он может по-разному, но основной его вид — это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами.  Сразу же отметил сторону «А» и сторону «Б» для дальнейших экспериментов

Почему я пометил стороны?

Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание «разности температур»? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.

Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать мультиметр, который шел в комплекте с термопарой

Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло ;-).

Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный — на минус и подаем чуток напряжения, вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона «А» охлаждается, а сторона «Б» греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность, ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье — это 12 Вольт. Так как  я подключил на красный  — плюс, а на черный — минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру.  Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:

77 градусов по Цельсию — это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.

Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор. Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который  дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:

7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.

Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример — это фонарик, работающий от тепла руки

Что такое принцип Пельтье

Данный принцип был открыт почти 200 лет назад французом Жаном Пельтье, который обнаружил, что при протекании I по разнородным проводам происходит процесс выделения тепла, а при смене полярности – охлаждения, при этом наибольшее проявление подобного эффекта наблюдалось у полупроводниковых материалов. Причем тогда же была замечена обратимость процесса, при которой при возможности поддержании разных температур на проводах в месте контакта, в них фиксировалось появление электрического тока. Данный эффект также был очень важен и получил название эффекта Зеебека.

Чтобы попытаться объяснить данный эффект с точки зрения физики процесса, необходимо обратиться к классической теории электротехники и движению электротока в зависимости от разности потенциалов. При прикосновении двух разнородных проводов неизбежно возникает разность потенциалов U, создающая определенное поле. Таким образом, если по проводу пропустить I, то созданное разностью U поле будет или способствовать протеканию тока, или являться препятствием к этому.

Если полярность поля и тока противоположны, то необходимо найти дополнительную энергию, способствующую протеканию I, за счет чего контакт будет греться. Если поле и I однонаправлены, то ток поддерживается самим полем. Для этого требуется энергия, забираемая у вещества, что и вызывает охлаждение контакта. Таким образом, то количество тепла, которое выделяется или забирается при прохождении I, будет прямо пропорционально величине заряда, проходящего через место соединения проводников и рассчитывается как произведение I на время его прохождения.

Данное произведение называется коэффициентом Пельтье, величина которого зависит от материала и температур проводников, соприкасающихся между собой.

Если ранее эффект Пельтье не нашел себе широкого применения за неимением необходимых материалов, то на сегодняшний день, с учетом развития новых технологий, найдены типы проводников, которые способны обеспечить максимальный термоэлектрический эффект.

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.

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.

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

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%.

Автохолодильник своими руками

В середине прошлого века отечественная промышленность пыталась освоить выпуск малогабаритных холодильников, основанных на эффекте Пельтье. Существующие технологии того времени не позволили этого сделать. Сейчас сдерживающим фактором преимущественно является высокая цена, но попытки продолжаются, и успехи здесь уже достигнуты.

Широкое производство термоэлектрических устройств позволяет создать своими руками небольшой холодильник, удобный для использования в автомобилях. Его основой является «сэндвич», который делается следующим образом.

1. На верхний радиатор наносится слой теплопроводной пасты типа КПТ-8 и приклеивается Пельтье модуль с одной стороны керамической поверхности.
2. Аналогично к нему крепится с нижней стороны другой радиатор, предназначенный для помещения в камеру холодильника.
3. Все устройство плотно сжимается и просушивается в течение 4-5 часов.
4. На обоих радиаторах устанавливаются кулеры: верхний будет отводить тепло, а нижний — выравнивать температуру в камере холодильника.

Корпус холодильника делается с теплоизолирующей прокладкой внутри

Важно, чтобы он плотно закрывался. Для этого можно использовать обычный пластиковый ящик для инструментов

Питание 12 В подается из системы автомобиля. Его можно сделать и от сети 220 В переменного тока, с блоком питания. Схема преобразования переменного тока в постоянной применяется самая простая. Она содержит выпрямительный мост и сглаживающий пульсации конденсатор

При этом важно, чтобы на выходе они не превышали величину 5 % от номинального значения, иначе эффективность устройства снижается. У модуля имеются два вывода из цветных проводов

К красному всегда подключается «плюс», к черному — «минус».

Мощность ТЭМ должна соответствовать объему бокса. Первые 3 цифры маркировки означают количество пар полупроводниковых микроэлементов внутри модуля (49-127 и более). Сила тока выражается двумя последними цифрами маркировки (от 3 до 15 А). Если мощности недостаточно, надо приклеить на радиаторы еще один модуль.

Обратите внимание! Если сила тока будет превосходить мощность элемента, он будет нагреваться с обеих сторон и быстро выйдет из строя

Физические процессы в элементе Пельтье

Чтобы разобраться в том, что происходит в данном устройстве, необходимо погрузиться в сложность физических законов и математических выкладок. Простому обывателю в этом разобраться будет сложно, поэтому объясним все по-простому.

Все действие происходит на уровне атомной решетки материала. Поэтому для удобства объяснения заменим его любым газом, который состоит из фононов (это его частицы). Итак, температура газа зависит от нескольких показателей:

• температуры окружающей среды;
• от металла, а точнее, от его свойств.

Поэтому получаем в предположении, что металл представляет собой смесь фононного и электронного газа. Оба газа находятся в термодинамическом равновесии. При соприкосновении двух металлов с разной температурой происходит перемещение холодного электронного газа в теплый металл. Что и образует разность потенциалов.

Термоэлектрический эффект Пельтье

На границе контактов двух металлов, то есть на переходе, электроны забирают энергию у фононов и передают ее фононам другого металла. Если поменять полярность подключения, то процесс пойдет в обратную сторону. Перепад температур будет увеличиваться до тех пор, пока в металле есть свободные электроны с высоким потенциалом. Когда они закончатся, настанет своеобразное равновесие температур в обоих металлах. Вот так можно описать по-простому картину эффекта Пельтье.

Итак, из всех процессов, протекающих в элементе Пельтье, можно сделать вывод, что эффективность его работы зависит от точного подбора двух металлов со своими свойствами, от силы тока, который будет протекать через прибор, и от того, как быстро будет отводиться тепло из теплой зоны.

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%.

Как сделать осушитель воздуха собственноручно

Воздух помещения осушается за счет течения трех процессов:

1. Нагрев.
2. Адсорбция.
3. Конденсация.

Если руки испущены правильным местом, можно из старого холодильника собрать осушитель воздуха. Имеется радикальный вариант лишенным жалости. Холодильники с технологией NoFrost предоставляют в распоряжение мастера готовый осушитель воздуха. Внутри вентилятор, гоняющий поток кругом, пропуская через испаритель. Оснастите помещение, откройте дверцу, влажность начнет снижаться.

Менее радикальный метод заключается в применении старой морозильной камеры с капельной системой разморозки. Лишняя жидкость сливается через дренажное отверстие, заполняя специальную емкость. Ставим морозильную камеру во влажное место, помещаем внутрь вентилятор вытяжки, другой подходящий. Готовим вместительную емкость для сбора воды – осушитель воздуха своими руками готов. Старую камеру не жалко, часть воды станет льдом.

На основе методики придумаем много конструкций. Используем холодильную камеру в качестве осушителя воздуха, просто включим сплит-систему охлаждать

Важно помнить одно: доморощенные методы бессильны заменить полноценный заводской прибор. Воздух помещения начнет охлаждаться, приводя к выпадению конденсата. Заводские осушители воздуха после охлаждения струю нагревают

Заводские осушители воздуха после охлаждения струю нагревают.

Желая улучшить скорость работы, возьмите лист фанеры, оргстекла габаритами равными порталу морозильной камеры, проделайте отверстие под вентилятор. Воздух, вошедший внутрь, уходит через дренажную систему. Допускается использовать другие пути, способ определит марка используемого холодильника.

Повторимся, варварский метод, за работоспособность, последствия применения редакция ответственности не несет. Потрудитесь запастись вместительной чашей сбора воды. Жидкости будет больше обычного.

Расшифровка маркировок

Все термомодули имеют специальную маркировку, содержащую несколько букв и цифр. Данное обозначение легко расшифровывается:

• первые две буквы всегда одинаковы – TE, они указывают на то, что это термоэлемент;
• следующая буква обозначает размер: C – стандартный и S – маленький;
• цифра, стоящая перед дефисом, показывает, сколько слоев в данном модуле;
• первые три цифры после дефиса обозначают количество термопар;
• последние две цифры несут информацию о величине номинального тока в Амперах.

Рассмотрим расшифровку на конкретном примере. На фото представлен термоэлемент стандартного размера с одним каскадом (слоем). Устройство имеет 127 термопар. А величина номинального тока равна 6 Амперам.

Основные эксплуатационные характеристики элемента Пельтье

Данное устройство в целом идеально работает в тех случаях, когда хорошо и надежно контактируют термопары с охладительным устройством, будь то радиатор охлаждения или вентилятор охлаждения со змеевиком, то есть – хороший теплосъем.

Модули Пельтье, как их часто называют, очень чувствительны к перепадам по току и напряжению (не более 5 %). Под действием высоких температур (наиболее критическая для элементов до 150 градусов) эффективность снижается во много раз (до 40 %) и модуль очень быстро ломается.

Как правило, в схему работы полупроводниковых элементов недопустимым условием является приспособление релейных устройств: ограничивающих мощность или регулирующих. Это приводит к деградации кристаллических составляющих и к неисправности в скором времени элемента.

Частое включение и выключение устройств также негативно влияет на работу и срок эксплуатации, и его долговечность функционирования. Согласно законов физики — любой нагрев материала приводит к его тепловому расширению, а охлаждение — к сжатию. Соответственно, особенно слабыми местами в полупроводниковых элементах являются «паечные», где из-за механического движения возможно появление дефектов в виде микротрещин и в конце концов к разрыву цепи.

Коэффициент теплопроводности термических пар элемента Пельтье достаточно высок, что с одной стороны является достоинством, а с другой стороны ограничивает срок эксплуатации и расчетное число циклов «стоп-старт-стоп».

Выводы по конструктиву самодельного холодильника

Остальные выводы читатели сделают самостоятельно: самодельный холодильник даст 2 градуса тепла по шкале Цельсия, если снабдить прибор тремя элементами Пельтье с кулерами. Опыт допустимо обобщать, подбирать оптимальную изоляцию, варьировать условия. К примеру, кулеры убрать, чтобы не шумели и не тратили энергию. Это упростит конструкцию. Но хотим охладить пыл изобретателей: в настоящих, не самодельных холодильниках, используются два вентилятора, для холодного и горячего контура. Экспериментируйте.

Устройство холодильника вытерпит компьютерный блок питания. Вспомните, сколько потребляет процессор! Элемент Пельтье далеко не главное внутри. Вольтаж уже заранее приспособлен, не придется искать редких деталей. Покупаете три элемента Пельтье, чтобы самостоятельно сделать холодильник, берете блок питания из старенького ПК, сооружаете коробку с двумя кулерами, получаете готовый продукт. Причем способный работать от автомобильного аккумулятора.

Принцип действия холодильника настолько очевиден, что понятен детям. При изменении направления тока элементы Пельтье работают на нагрев. Хорошо иметь рядом теплую пищу, когда вокруг нет подогревательного устройства. В последнем случае закон работает в обратную сторону. Три элемента Пельтье внутри самодельного холодильника обеспечат температуру на 18 ºС выше окружающей среды. Если в машине 25, в коробке покажет 43. Достаточно, чтобы перекусить и не жаловаться. Получается уже два прибора в одном лице.

Хотим сказать спасибо автору видео на Ютуб за великолепную идею, как сделать холодильник самостоятельно. Пусть задумка не слишком удалась, но лишь потому, что объем велик. Элементы Пельтье процессорные не настолько мощные, чтобы в одиночку одолеть большой объем, до конца не оформленный.

Объяснение плюсов, минусов и приложений эффекта Пельтье

Эффект Пельтье является важным явлением в изучении термоэлектрического охлаждения и нагрева. Для лучшего понимания щелкните здесь для краткого объяснения эффекта Пельтье.

Знаете ли вы?

Эффект Пельтье не имел практического значения в течение почти 100 лет, пока разнородные металлические устройства не были заменены полупроводниками, способными создавать гораздо больший температурный градиент

В 1821 году немецкий ученый Томас Зеебак провел несколько экспериментов с электричеством. Он обнаружил, что электрический ток будет течь по цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при условии, что места соединения этих проводников поддерживаются при разных температурах. Однако Зеебак не смог объяснить фактическую научную причину этого явления и ошибочно пришел к выводу, что протекающее тепло производит тот же эффект, что и протекающее электричество.

Позже, в 1834 году, Жан Пельтье, французский часовщик и физик по совместительству, анализируя эффект Зеебека, заметил, что тепло может поглощаться в одном соединении разнородных металлов и отдаваться в другом соединении в той же цепи. Спустя двадцать лет после этого Уильям Томсон (лорд Кельвин) смог научно объяснить эффекты Зеебека и Пельтье и доказать взаимосвязь между ними.

Однако, как бы это ни было интересно, в то время это явление считалось не более чем простым лабораторным экспериментом. Затем, в 1930 г., когда русские ученые приступили к повторному исследованию более ранних работ по термоэлектрическому эффекту, интерес к этому явлению в мире вновь вспыхнул, что привело к созданию практических термоэлектрических устройств.

Говорят, что эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека. Поэтому, чтобы иметь возможность понять, как работает эффект Пельтье, давайте сначала рассмотрим эффект Зеебека.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека — это явление, при котором температурный градиент, возникающий между двумя соединениями, образованными двумя разнородными электрическими проводниками или полупроводниками, вызывает возникновение между ними разности потенциалов. Эта разность потенциалов позволяет электрическому току течь по цепи. Таким образом, эффект Зеебака утверждает, что градиент температуры вызывает протекание электрического тока по цепи.

Математически, если (T1 – T2) представляет собой разницу температур между двумя соединениями разнородных металлов, то, согласно эффекту Зеебека, она создаст электродвижущую силу (напряжение), определяемую следующим образом:

E = α (T1 – T2)

Примечание : α – дифференциальный коэффициент Зеебека или (коэффициент термоэлектрической мощности) между двумя проводниками/полупроводниками. Он положительный, когда направление электрического тока совпадает с направлением теплового тока.

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том, что при протекании электрического тока по цепи, состоящей из разнородных проводников, тепловая энергия поглощается одним соединением и отводится в другом, в результате чего первое становится холоднее, а второе — горячее. Таким образом, из-за протекающего тока возникает тепловой градиент, что делает эффект Пельтье обратным эффекту Зеебека.

Эффект Пельтье

Если QC — скорость охлаждения в ваттах, а QH — скорость нагрева в ваттах, I — ток, протекающий через замкнутую цепь.

QC или QC = β x I

Примечание : β — дифференциальный коэффициент Пельтье между двумя материалами A и B в вольтах.

Эффект Пельтье можно проверить экспериментально, используя следующую установку:

Как показано, два куска медного провода подключены к двум клеммам батареи. Затем эти две части соединяются с помощью висмутовой проволоки, что завершает настройку.

Наблюдается, что когда цепь замыкается, как описано выше, возникает температурный градиент, предсказанный эффектом Пельтье. В месте перехода тока от меди к висмуту температура повышается, а в месте перехода тока от висмута к меди температура падает.

Как работает эффект Пельтье?

Эффект Пельтье возникает из-за того, что средняя энергия электронов, участвующих в переносе электрического тока, различна для разных проводников. Он зависит от нескольких факторов, в том числе от энергетического спектра электронов, их концентрации в проводнике и их рассеяния под действием приложенного напряжения.

На стыке двух разнородных проводников электроны переходят из одного проводника в другой. В зависимости от направления потока электрического заряда эти электроны будут либо передавать свою избыточную энергию окружающим атомам, либо поглощать энергию от них. Таким образом, в первом тепло рассеивается, а во втором поглощается.

Недостатки

Основным недостатком эффекта Пельтье является его неэффективность. Сам протекающий ток имеет тенденцию генерировать значительное количество тепла, которое добавляется к общему рассеиванию тепла. В больших приложениях это приводит к избыточному количеству тепла, о котором необходимо позаботиться. Как правило, для решения этой проблемы приходится использовать дополнительные вентиляторы.

Этот эффект также потребляет много электроэнергии, что может сделать его использование для крупномасштабных приложений очень дорогим.

Если компоненты элементов Пельтье слишком сильно охлаждаются, это может привести к образованию конденсата, что может привести к короткому замыканию.

Преимущества

Основное преимущество эффекта Пельтье заключается в том, что он позволяет нам создавать охлаждающие/нагревательные устройства, которые не имеют движущихся частей и, следовательно, с гораздо меньшей вероятностью выхода из строя по сравнению с обычными охладителями и нагревателями. Они также почти не требуют ухода.

Приборы Пельтье работают бесшумно и теоретически могут достигать температуры до -80ºC (-176ºF).

Эффект Пельтье можно эффективно использовать на микроскопическом уровне, где обычные методы охлаждения не работают.

Применение эффекта Пельтье

Эффект Пельтье используется для создания устройств Пельтье. Это твердотельные устройства, которые используют этот эффект для охлаждения или нагрева. Обычно используемые устройства включают нагреватель Пельтье, тепловой насос, охладитель и твердотельный холодильник.

Когда через устройство Пельтье протекает постоянный ток, тепло переходит с одной стороны устройства на другое, что позволяет ему действовать как нагреватель или охладитель. Все устройства Пельтье работают таким образом, передавая тепло от одной стороны устройства к другой против градиента температуры с помощью электрического тока.

Ниже приведены несколько применений устройств Пельтье:

Извлечение воды : Эффект Пельтье используется в осушителях для процесса извлечения воды из воздуха.

Синтез ДНК : Термоциклер использует этот эффект для процесса синтеза ДНК.

Космические корабли : Эффект Пельтье используется в космических кораблях для балансировки воздействия солнечного света на обе стороны корабля. Это помогает рассеивать тепло из-за прямого солнечного света с одной стороны космического корабля на другую сторону, которая не получает солнечного света и поэтому намного прохладнее.

Термоэлектрические охладители и сборки для медицинского применения

Введение

Медицинские лазеры предназначены для использования в больницах, амбулаторных хирургических центрах и врачебных кабинетах. Они сочетают в себе свойства разреза, абляции и коагуляции для точных, практически бескровных процедур; сведение к минимуму термического повреждения окружающих тканей и увеличение времени восстановления. Они также дезинфицируют область с помощью тепла лазера, уничтожая любые микробиологические тела, которые могут привести к инфекции. Хотя медицинские лазеры ценны для многих медицинских применений, они выделяют отходящее тепло, которое влияет на производительность лазеров во время работы. Производители также сталкиваются с проблемами при проектировании управления температурным режимом, такими как температурная стабильность, ограничения по шуму, нехватка места и снижение энергопотребления.
 

Медицинские лазеры выделяют большое количество тепла, которое необходимо отводить от чувствительных компонентов лазера.
 

Применение Требования к охлаждению

Лазеры выделяют значительное количество тепла, которое может повлиять на максимальную производительность лазера. Тепло, выделяемое лазером, может варьироваться от 5 Вт до более 150 Вт в зависимости от медицинского применения лазера. Для оптимальной работы лазеру требуется стабильная рабочая температура 20°C ± 0,5°C, в то время как температура окружающей среды может колебаться в пределах комнатной температуры.

Термическая стабильность является особенно сложной задачей из-за ограничений форм-фактора медицинского лазера. Миниатюризация портативных лазеров побудила инженеров упаковать больше электроники в меньшую площадь. Больше электроники увеличивает функциональность, например, сочетание охлаждения кожи с обработкой кожи, однако это также увеличивает сложность теплового решения. В результате тепловые компоненты должны обеспечивать улучшенный термоконтроль, иногда с несколькими контурами охлаждения и направлять тепловыделение через жесткие геометрические ограничения пространства. Поскольку это портативное устройство, его компоненты также должны выдерживать удары и вибрацию, чтобы обеспечить долгий срок службы. Для дальнейшего снижения эксплуатационных расходов предпочтительны решения по управлению температурным режимом, требующие минимального обслуживания.

В дополнение к охлаждению лазера поверхностные слои кожи пациента обычно охлаждаются для защиты эпидермиса и предотвращения термического повреждения. Охлаждение может быть достигнуто за счет холодного контактного охлаждения, продувки холодным воздухом или криогенного аэрозольного (динамического) охлаждения. Контактное охлаждение считается лучшим методом охлаждения кожи. Более сложные лазерные системы оснащены встроенным контактным охлаждающим устройством для уменьшения боли и эритемы, что повышает комфорт пациента во время процедуры.

Ниже показано, как обычный термоэлектрический охладитель используется для охлаждения медицинского лазера. Термоэлектрический охладитель установлен между двумя теплообменниками. На холодной стороне используется холодный блок с интерфейсным материалом для подключения к термоэлектрическому охладителю. Затем холодный блок механически крепится к лазеру. Из-за нехватки места на горячей стороне обычно используется жидкостный теплообменник для отвода тепла в окружающую среду. Изоляция используется для предотвращения конденсации влаги в полости термоэлектрического охладителя и изоляции теплопередачи с горячей стороны на холодную.
 

Термоэлектрические охладители 

Термоэлектрические охладители представляют собой твердотельные тепловые насосы, которым требуется теплообменник для рассеивания тепла за счет эффекта Пельтье. Во время работы постоянный ток протекает через термоэлектрический охладитель, создавая теплопередачу и разницу температур на керамических поверхностях, в результате чего одна сторона термоэлектрического охладителя остается холодной, а другая — горячей. Одноступенчатый термоэлектрический охладитель может достигать перепада температур до 70°C и передавать тепло со скоростью до 150 Вт. Для увеличения мощности перекачки тепла модульная конструкция термоэлектрического охладителя позволяет использовать несколько термоэлектрических охладителей, установленных бок о бок, что называется массивом ТЭ.

Термоэлектрические охладители состоят из двух керамических подложек, которые служат электроизоляционными материалами и содержат полупроводниковые элементы P-типа и N-типа. Тепло поглощается в холодном спае электронами, когда они переходят с низкоэнергетического уровня в элементе P-типа на более высокий энергетический уровень в элементе N-типа. В горячем спае энергия выбрасывается к тепловому стоку, когда электроны перемещаются от элемента с высокой энергией к элементу с более низкой энергией.
 

Изменение полярности меняет направление теплопередачи. Термоэлектрические охладители рассчитаны на максимальные параметры (ΔTmax, Imax, Vmax и Qmax) без нагрузки, при этом точность регулирования температуры достигает ±0,01°C в установившемся режиме. Они могут охлаждать до -100°C (6 ступеней) и откачивать до 15 ватт тепла на квадратный сантиметр, причем более высокая мощность откачки тепла достигается за счет соединения термоэлектрических охладителей в массив. Их геометрия может варьироваться от 2х2 мм до 62х62 мм и значительно эффективнее в режиме обогрева, чем резистивные нагреватели. Они также вписываются в жесткие геометрические ограничения пространства и могут быть установлены в любом положении, которое не может вместить гораздо более крупную систему на основе компрессора. Термоэлектрические охладители обеспечивают высокую надежность, отсутствие шума при работе и хорошо работают в устройствах с высокой вибрацией, таких как медицинские лазеры.

Серия керамических пластин (CP) компании Laird Thermal Systems представляет собой прочный, компактный термоэлектрический охладитель, предназначенный для применения с более высокими токами и большими тепловыми насосами, такими как портативные косметические лазеры. Расположенная рядом с лазером, конфигурация прямого воздушного охлаждения серии CP обеспечивает максимальную мощность охлаждения до 120 Вт с температурным перепадом (ΔT) 70°C при небольшом форм-факторе 62 мм x 62 мм x 4,6 мм. или меньше. Серия CP доступна в широком диапазоне мощностей тепловой накачки, геометрических форм и диапазонов входной мощности для удовлетворения требований портативных лазеров.
 

Серия Laird Thermal Systems CP обеспечивает мощность охлаждения до 120 Вт.

Термоэлектрический охладитель UltraTEC™ серии UTX с мощностью откачки тепла до 299 Вт предотвращает перегрев медицинских лазерных систем. В охладителях серии UltraTEC UTX используются передовые термоэлектрические материалы, обеспечивающие увеличение мощности теплового насоса на 10% по сравнению со стандартными термоэлектрическими охладителями. Он также отличается более высоким теплоизоляционным барьером, обеспечивающим максимальный перепад температур ΔT 72°C. Термоэлектрический охладитель UltraTEC серии UTX обеспечивает не только высокую плотность теплового насоса, но и точный контроль температуры с точностью до ± 0,01°C.
 

Laird Thermal Systems UltraTEC серии UTX обеспечивает теплопроизводительность от 69 до 299 Вт.

Термоэлектрические охладители в сборе

Термоэлектрические охладители в сборе представляют собой системы охлаждения и нагрева, в которых используются термоэлектрические охладители для передачи тепла воздухом, жидкостью или теплопроводностью, которые включают встроенный контроль температуры. Термоэлектрические охладители снимают пассивную тепловую нагрузку, создаваемую окружающей средой, для стабилизации температуры чувствительных компонентов, используемых в медицинских лазерах.

Узлы термоэлектрических охладителей обеспечивают точный контроль температуры в эффективном, стабильном, надежном, не требующем обслуживания и компактном форм-факторе по сравнению с другими технологиями, такими как системы на основе компрессоров. Кроме того, термоэлектрические охладители экологически безопасны, так как в них не используются хладагенты. Обладая твердотельной конструкцией без движущихся частей, термоэлектрические охладители надежно работают при малой мощности с низкой тепловой нагрузкой и без шума — и все это при небольшой занимаемой площади. Поскольку термоэлектрические охладители могут быть установлены в любой операции, они обеспечивают большую гибкость интеграции.

Серии Tunnel, PowerCool и SuperCool компании Laird Thermal Systems специально разработаны для удовлетворения требований к охлаждению медицинских лазеров.

Серия SuperCool отличается уникальной запатентованной конструкцией, которая предлагает высокопроизводительный радиатор с горячей стороной, который рассеивает тепло быстрее и эффективнее, чем конкурирующие технологии теплообменников, повышая эффективность охлаждения до 90%. Блоки работают от 24 В постоянного тока и доступны в конфигурациях «воздух-воздух», «прямо-воздух» и «жидкость-воздух» с мощностью теплового насоса от 110 до 407 Вт. В их меньшем форм-факторе используются специальные термоэлектрические охладители для максимального охлаждения и вентиляторы премиум-класса для минимизации шума, а превосходная влагостойкая изоляция предотвращает проникновение конденсата в полость камеры.

Новый блок термоэлектрического охладителя SLA-400 SuperCool предлагает самую большую охлаждающую способность в отрасли для своего размера. Устройства жидкость-воздух, такие как SLA-400, обеспечивают большую гибкость, поскольку их можно установить в любом месте, охлаждая как лазер, так и пациента, устраняя необходимость в отдельных охлаждающих контурах. Это освобождает место для другой важной электроники, в результате чего получается более компактная медицинская лазерная система с максимальной охлаждающей способностью.

Термоэлектрические охладители серии SuperCool мощностью от 110 до 407 Вт предлагаются в версиях «воздух-воздух», «прямо-воздух» и «жидкость-воздух».

Серия PowerCool обеспечивает холодопроизводительность от 20 до 280 Вт. Они доступны в конфигурациях «воздух-воздух» и «прямо-воздух», в которых для рассеивания тепла на горячей стороне используется набегающий поток. Узлы воздух-воздух охлаждают объекты за счет конвекции, при которой тепло поглощается и рассеивается теплообменниками, оснащенными вентиляторами и кожухами.

Серия PowerCool предлагается в версиях Air-to-Air и Direct-to-Air мощностью от 20 до 280 Вт.

Серия Tunnel использует запатентованную высокоэффективную технологию поперечного потока, которая максимизирует теплопередачу при прохождении воздуха через теплообменник. Эта технология поперечного потока уменьшает количество необходимых путей воздушного потока по сравнению с традиционными узлами с ударным потоком. Действие теплового насоса создается термоэлектрическими охладителями, которые специально разработаны для достижения высокого коэффициента полезного действия для минимизации энергопотребления. Серия Tunnel с меньшим форм-фактором предлагает мощность охлаждения более 100 Вт для поддержки широкого спектра приложений охлаждения. Серия Tunnel предлагается в конфигурациях с напряжением 12 или 24 В постоянного тока и может охлаждаться конвекцией (воздух-воздух) или теплопроводностью (прямо-воздух).

Термоэлектрические охладители серии Tunnel обладают охлаждающей способностью от 10 до 100 Вт и доступны в версиях «воздух-воздух» и «прямо-воздух».

Заключение

Термоэлектрические охладители и узлы являются предпочтительным решением для температурной стабилизации медицинских лазерных систем для поддержания их максимальной производительности. Благодаря эффекту Пельтье термоэлектрические охладители обеспечивают надежную полупроводниковую работу с низкими требованиями к обслуживанию и низкой совокупной стоимостью владения. Термоэлектрики имеют компактные форм-факторы, что позволяет использовать новейшие конструкции медицинских лазеров там, где могут возникнуть проблемы с ограниченным пространством. У них достаточно охлаждающей способности для охлаждения нескольких компонентов лазерной системы, что упрощает общее решение для охлаждения. Этого невозможно добиться никакими другими средствами без сложной системы отопления и охлаждения.

Дополнительную информацию о серии SuperCool можно найти по адресу https://www.lairdthermal.com/products/product-series/supercool-series

Дополнительную информацию о серии PowerCool можно найти по адресу
https://www. .lairdthermal.com/products/thermoelectric-cooler-assemblies/peltier-power-cool-series

Дополнительную информацию о серии Tunnel можно найти по адресу
https://www.lairdthermal.com/products/product-series/tunnel -series

Пельтье — Калькулятор модуля охлаждения

Ищи:

Примечание. Для работы этого калькулятора должен быть включен JavaScript.

Рассчитайте термоэлектрический (Пельтье) охлаждающий модуль, который лучше всего подходит для вашего приложения.

Нажмите, чтобы получить инструкции по использованию этой программы выбора модулей.

Расчет модуля

ДТ:    — Разность температур, Thot — Tcold. DT/DTмакс. :    — отношение разницы рабочих температур модуля к DTmax модуля. л/лмакс. для минимальной мощности:    — Отношение рекомендуемого рабочего тока модуля к Imax модуля. Q/Qmax для минимальной мощности:   — отношение Q к Qmax модуля, оптимизированного для минимального энергопотребления. Qmax для минимальной мощности:  — Qmax модуля, оптимизированного для минимального энергопотребления. Q/Qmax для наименьшего размера:    — Отношение Q к минимальному Qmax, способному удовлетворить требования к охлаждению. Qmax для наименьшего размера:  — Минимальная Qmax модуля, отвечающая требованиям к охлаждению. Обычно это означает, что модуль должен быть как можно меньше физически.

Сводный отчет и контактная информация
Если вам нужна дополнительная информация, не представленная в этом онлайн-селекторе модулей, введите свою контактную информацию ниже, и представитель TE Technology свяжется с вами. ПОЛИТИКА КОНФИДЕНЦИАЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЫ: Мы будем использовать ваш адрес электронной почты только для отправки вам сводного отчета от нашей службы дизайна. Он не будет добавлен в список рассылки или использован для каких-либо других целей. Мы никогда не будем передавать, продавать или сдавать в аренду личную информацию кому-либо.
Адрес электронной почты:
Ваше имя:
Название компании:
Адрес:
Адрес 2:
Город, штат/провинция:
Почтовый индекс:
Страна:
Номер телефона:
Номер факса:
Комментарии: Пожалуйста, предоставьте как можно больше подробностей в поле для комментариев, чтобы максимизировать эффективность нашего ответа.
		Этот отчет будет включать всю информацию, представленную вам выше. (Для этого требуется только адрес электронной почты.) Копия сводного отчета будет отправлена ​​вам и инженеру TE Technology для дальнейшего обсуждения вашей заявки. (Обязательные поля выделены жирным шрифтом.)

Отказ от ответственности : Предложения, представленные в анализе конструкции, являются только оценками. на основе предоставленных вами ограниченных данных и не принимает во внимание многие другие соответствующие факторы. Заказчик несет ответственность за проверку анализ конструкции и тестирование продукта в желаемом приложении. ТЭ Technology, Inc.