Принцип пельтье. Элемент Пельтье: принцип работы, характеристики и применение

Что такое элемент Пельтье и как он работает. Каковы основные характеристики элементов Пельтье. Где применяются термоэлектрические модули на основе эффекта Пельтье. Как собрать устройство с элементом Пельтье своими руками.

Что такое элемент Пельтье и принцип его работы

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, работа которого основана на эффекте Пельтье. Данный эффект заключается в том, что при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока.

Конструкция типичного элемента Пельтье выглядит следующим образом:

• Две керамические пластины-изоляторы
• Между ними расположены последовательно соединенные полупроводниковые термопары из материалов p- и n-типа
• Медные проводники для подключения питания

При подаче постоянного тока одна сторона элемента охлаждается, а противоположная нагревается. При смене полярности питания горячая и холодная стороны меняются местами.

Основные характеристики элементов Пельтье

Ключевые параметры термоэлектрических модулей Пельтье:

• Холодопроизводительность (Qmax) — максимальная мощность охлаждения в ваттах
• Максимальный перепад температур (ΔTmax) между сторонами
• Максимальный ток (Imax) и напряжение (Umax)
• Внутреннее сопротивление
• Коэффициент эффективности (COP) — отношение охлаждающей мощности к потребляемой

Типичный COP недорогих элементов составляет 0,3-0,5. Чем он выше, тем эффективнее работает модуль.

Где применяются элементы Пельтье

Основные области применения термоэлектрических модулей на эффекте Пельтье:

• Охлаждение электронных компонентов (процессоров, видеокарт)
• Портативные холодильники и системы кондиционирования
• Осушители воздуха
• Термостаты для лабораторного оборудования
• Охлаждение лазерных диодов
• Термоэлектрические генераторы

Широкое применение элементы Пельтье нашли в портативной технике благодаря компактности и отсутствию движущихся частей.

Преимущества и недостатки элементов Пельтье

Основные достоинства термоэлектрических модулей:

• Компактные размеры
• Отсутствие движущихся частей и хладагентов
• Бесшумность работы
• Возможность точного контроля температуры
• Быстрый выход на рабочий режим

Главные недостатки:

• Низкий КПД (эффективность)
• Необходимость отвода большого количества тепла
• Высокое энергопотребление
• Ограниченная холодопроизводительность

Как собрать устройство с элементом Пельтье своими руками

Для создания простейшего охлаждающего устройства на элементе Пельтье потребуется:

1. Сам термоэлектрический модуль Пельтье
2. Радиатор для отвода тепла с горячей стороны
3. Вентилятор для обдува радиатора
4. Источник питания 12В
5. Термопаста для улучшения теплового контакта

Порядок сборки:

1. Нанести термопасту на обе стороны элемента Пельтье
2. Прикрепить элемент к радиатору горячей стороной
3. Установить вентилятор на радиатор
4. Подключить элемент Пельтье и вентилятор к источнику питания

Такая простая конструкция позволит получить температуру холодной стороны на 30-40°C ниже окружающей среды.

Применение элементов Пельтье для охлаждения компьютера

Термоэлектрические модули часто используются энтузиастами для экстремального охлаждения процессоров и видеокарт. Основные моменты при создании системы охлаждения на элементах Пельтье:

• Необходимо использовать мощный радиатор и вентилятор для отвода тепла
• Важно обеспечить хороший тепловой контакт между компонентами
• Требуется мощный и стабильный блок питания
• Нужно предусмотреть защиту от конденсата при охлаждении ниже точки росы
• Для мощных процессоров может потребоваться каскадное охлаждение

При правильной реализации можно добиться температуры процессора значительно ниже комнатной, что позволяет достичь высоких результатов при разгоне.

Перспективы развития технологии термоэлектрического охлаждения

Несмотря на низкую эффективность, элементы Пельтье продолжают совершенствоваться. Основные направления развития:

• Создание новых термоэлектрических материалов с улучшенными характеристиками
• Оптимизация конструкции модулей для повышения КПД
• Разработка более эффективных систем отвода тепла
• Применение каскадных схем охлаждения
• Интеграция термоэлектрических элементов непосредственно в электронные компоненты

Развитие технологии позволит расширить сферы применения элементов Пельтье и сделать их более конкурентоспособными по сравнению с традиционными системами охлаждения.

Элемент Пельтье — Принцип работы, характеристики. Как сделать самостоятельно?

Содержание:

Краткая история открытия и обоснование физики работы

В основе работы элемента Пельтье находится физический принцип прохождения тока через две соприкасающиеся пластины, изготовленные из материалов с различными уровнями энергии тока прохождения, или другими словами — полупроводниками отличающихся типов. В месте их соединения будет наблюдаться нагрев при подаче тока в одну сторону, и понижение температуры при движении его в обратную.

Открыт эффект был еще в 18 веке Жан-Шарлем Пельтье, который получил его случайно, соединив контакты из висмута и сурьмы от источника тока. Капля воды, находящаяся в точке соприкосновения, превратилась в лед, что и вызвало интерес исследователя. Практическое применение открытие не получило по причине слабой распространенности электротехники в указанный период времени. Вспомнили о нем уже позднее, в век развития микроэлектроники, компонентам которой нужно было миниатюрное охлаждение, желательно без жидкостей и подвижных частей (насосов, вентиляторов и прочих).

Элемент Пельтье можно создать не только из полупроводников. Но, к сожалению, эффект от использования различных проводящих металлов будет ниже, и практически полностью потеряется за счёт нагревания их в месте соприкосновения и общей теплопроводности материала.

В общем виде конструкция выглядит как набор электродов кубической формы, изготовленных из полупроводников n- и p-типа. Каждый из них соединен с противоположными проводящими контактами, а все указанные пары соединены между собой последовательно. Причем расположение элементов выполняется так, чтобы связующие металлы между сборками полупроводников одного типа, соприкасались с первой стороной устройства в общем, а второго с противоположной. Сами p- и n- кубы зачастую изготавливаются из теллурида висмута и сплава кремния с германием. Соединительные контакты обычно из меди, алюминия или железа. Здесь главное требование — хорошая теплопроводность. Количество же пар в одной конструкции не ограничивается, и чем их больше, тем эффективнее работает элемент Пельтье. При подаче напряжения на сборку одна ее сторона нагревается, вторая охлаждается.

Принципиальная схема соединений в элементе Пельтье:

Годом нахождения обратного эффекта, выражающегося в выработке тока при охлаждении и нагреве соединенных проводников из разных металлов, принято считать 1821. Открытие было сделано Т. И. Зеебеком, который уже на следующий год опубликовал его в статье, предназначенной для Прусской академии наук, с названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».

Хотя согласно его работе, система генерации действует не только при использовании полупроводников, с ними ее КПД намного выше.

Элемент Пельтье, предназначенный целям генерации тока:

Устройство и принцип работы

Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.

Устройство модульного элемента Пельтье

Обозначения:

• А – контакты для подключения к источнику питания;
• B – горячая поверхность элемента;
• С – холодная сторона;
• D – медные проводники;
• E – полупроводник на основе р-перехода;
• F – полупроводник n-типа.

Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.

Рис. 3. А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная

Зачем нужны и чем отличаются от обычного охлаждения?

К практике предлагаю перейти чуть позже, так как надо вообще вначале определиться, что могут и что не могут элементы пельтье и зачем они нужны.

Допустим есть у вас некоторый процессор, вы в силу желаний улучшения производительности или спортивного интереса начинаете его разгонять и рано или поздно сталкиваетесь с вопросом перегрева процессора. Вы покупаете более производительный кулер, температуры немного снижаются. Вы ставите ещё более производительное охлаждение, температуры ещё чуть-чуть падают. Вы переходите на водяное охлаждение с большим радиатором и температуры падают ещё на пару градусов, потом вы заменяете большой радиатор на 4 радиатора от грузовиков, которые могут рассеять сотню киловатт тепла и получаете ещё выгоду в пол градуса и начинаете подозревать, что вы делаете что-то не так.

Условное изображение графика снижения температур от улучшения охлаждения

Всякие жидкие металлы скальпирования и прочие действия помогут сдвинуть все эти графики вниз на какое-то количество градусов, но суть — не изменится.

Условный график скорректированный для случая минимальных градиентов при передачи тепла от процессора

Проблема тут в том, что мы производим охлаждение относительно температуры воздуха. И не важно обдуваем мы радиатор установленный на процессоре или радиатор к которому подаётся тепло через жидкость. И чтобы мы не обдували воздухом комнатной температуры — рано или поздно мы придём к теоретически наименьшей температуре, которая нас может не устраивать. Конечно другой вопрос, что если процессор выделяет 50 ватт тепла то мы придём к этой температуре на маленьком радиаторе, а если 300 Ватт, то на большом, но суть в том, что предел есть и для процессоров он наступает очень быстро.

Выход из этой ситуации остаётся только один — в качестве среды использовать что-то, что холоднее комнатного воздуха, иначе никак.

И тут есть разные способы. Самый технологически простой — холодная проточная вода.

Есть ещё малозатратные способы — поместить компьютер в холодильник и на обычном кулере вы получите температуры ниже, чем на 4-х радиаторах охлаждения от грузовиков.

Компьютер в холодильнике

Логичным продолжением данной идея стало избавление от холодильника, а использование только самого принципа работы, а именно то, что можно взять некий газ с низкой температурой кипения и заставлять его вскипать там где нам нужно и вскипая он будет забирать тепло.

Проблем в данном решении несколько. Во первых — использование фреона, и опасности связанные с работой с ним, а так же тот факт что одна из частей контура с фреоном находится под высоким давлением. Вторая проблема — шум компрессора, который и обеспечивает нам то самое давление.

Ну и третья — технологически это сложная система состоящая из множества собранных друг с другом элементов. Но зато можно получить целый холодильник который работает не на большую камеру, а на кусок меди который прижат к крышке процессора и этот кусок меди может быть на градусов 60 холоднее окружающего воздуха, что существенно решает вопрос ограничения комнатными температурами, но одновременно с этим создаёт проблемы с конденсатом, так как в жилых помещениях в зависимости от влажности и температуры точка росы составляет от 5 до 20 градусов. Вдобавок данные системы практически неуправляемые, то есть работать в полсилы не могут и мощность отвода тепла закладывается при проектировании самой системы.

Ну и третий глобальный метод отводить тепло относительно более холодной среды — использование модулей Пельтье, о чём далее и будет идти речь.

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

• холодопроизводительностью (Qmax), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
• максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DTmax), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения — градусы;
• допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – Imax;
• максимальным напряжением Umax, необходимым для тока Imax, чтобы достигнуть пиковой разницы DTmax;
• внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
• коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского — coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.

Маркировка

Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.

Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706

Маркировка разбивается на три значащих группы:

1. Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
2. Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
3. Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.

Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

Применение

Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:

• мобильных холодильных установок;
• небольших генераторов для выработки электричества;
• систем охлаждения в персональных компьютерах;
• кулеры для охлаждения и нагрева воды;
• осушители воздуха и т.д.

Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.

Достоинства элементов Пельтье

Простота конструкции, отсутствие подвижных частей и специальных навыков при построении системы, низкая стоимость в сравнении с фреоном и при этом высокая разница температур сопоставимая с фрионными чиллерами.

Минусы фрионок тут тоже есть — а именно конденсат. Но вопрос с конденсатом частично решается тем, что Модули Пельтье поддаются управлению как по напряжению, так и по току. Но не так просто как хотелось бы. Питание должно быть без пульсаций, так как все переменные составляющие питания дают нагрев, но не дают перенос тепла, то есть и без того низкая эффективность ещё сильнее падает. То есть взять «ардуину», датчик температуры и контроллер каких-нибудь двигателей с ШИМ управлением и всё подключить — не получится. Вернее получится, но работать не будет.

Можно, конечно, питать используя силовые транзисторы в режиме управления, но при управлении всё равно сопротивление транзисторов далеко не бесконечное, так что потери эффективности и необходимость отвода от транзисторов тепла будет. Но в теории управлять этим можно динамически, так чтобы все компоненты были по температуре выше точки росы. Но две проблемы, а именно сложности управления и то, что одного элемента мало — дают и выходы из данной проблемы с управлением.

Во первых есть стандартное решение в вопросе нехватки производительности чего-то одного в «холодильных» или «нагревальных» делах. А решение это — объединение нескольких элементов чего-либо в один контур с общим теплонасителем. Мы не можем поставить модули Пельтье друг на друга, но это не значит, что мы не можем поставить их рядом друг с другом и прогонять через их холодные поверхности жидкость и чтобы они все вместе в сумме эту жидкость охлаждали. Так мы можем решить проблему ограниченности максимального переноса тепла одним элементом. В данном случае тут вопрос только в количестве этих элементов. Если есть желание и возможности можно и 100 элементов объединить в один контур.

И вопрос управления становится проще, так как не надо регулировать питание а можно просто подключать нужное количество элементов. Можно для снижения дискретности ещё поставить один более слабый элемент. Допустим если будет 10 мощных отводящих по 50 Ватт и один слабый на 25, то можно варьировать отбор тепла в пределах от ноля до 525 Ватт с шагом в 25 Ватт. А включать выключать элементы можно разрывая цепи питания, допустим электромеханическими реле, что шумно, либо твердотельными, что дорого для больших токов. Либо использовать транзисторы в ключевом режиме полностью их открывая, и автоматизировав всё это дело, измеряя температуру хладагента, влажность и температуру в помещении (для вычисления температуры точки росы), избавляясь от конденсата и лишней траты энергии в простое системы, то есть частично компенсировать имеющиеся недостатки, при этом в максимальной производительности давая виртуальную более холодную среду, чем окружающий воздух.

Недостатки элементов Пельтье

Во первых элементу Пельтье требуется не бесконечное количество тепла для работы. То есть если подать слишком большой тепловой поток, то элемент Пельтье просто начнёт греться и будет нагреваться до тех пор пока не выйдет из строя.

Вторая проблема — это закон сохранения энергии. И холод, как и тень от света — это не некая отрицательная энергия — а её отсутствие в том или ином месте или меньшее её количество в сравнении с окружающим пространством. То есть тепло процессора и холод элемента пельтье не аннигилируют друг с другом. Та энергия, что нужна была для перевода электронов тоже превращается потом в тепловую и её тоже надо отводить вместе с нагревом от электрического сопротивления.

Вкупе с самим нагревом от сопротивления выходит две вещи. Во первых элементы Петльте надо очень хорошо охлаждать, а иначе они перегреются и выйдут из строя, а во вторых у них крайне низкий КПД. Вернее КПД у них близок к 0. С точки зрения электричества — это нагреватель с интересными особенностями работы, но если считать за работу не сам перенос тепла, а количество переносимого тепла, то некое подобие КПД у этой вещи появляется.

Возвращаясь к элементам Пельте их можно купить и у нас, и вроде как они получше и число полупроводниковых блоков у них на одну и ту же площадь выше, но стоят они чуть ли не в десять раз дороже китайских. Китайские элементы Пельтье называются TEC1, далее указывается число пар полупроводников, для типоразмера 40 на 40 мм это 127 пар и далее указывается ток в Амперах. Чем выше ток — тем больше тепла элемент перетаскивает с одной стороны своего корпуса на другую. Я купил 15 Амперные модули.

Что касается 15 Амперного элемента, то свои 15 Ампер он потребляет на 15 Вольтах и обещается, что выводит он в идеальных условиях при этом около 130 Ватт тепла. В реальных условиях и на 12 Вольтах цифры ожидать стоит порядка 50-60 Ватт.

Как я выше уже писал — при перенасыщении теплом элемент Пельте уходит в разнос. И для мощного процессора одно элемента мало. Именно поэтому большинство экспериментов с элементами Пельтье которые вы можете найти в интернете сводятся к тому, что либо поставив этот элемент на «селрон» он хорошо охлаждается, либо при установки на i7/i9 или 9-тысячный FX всё это дело вообще не работает. Вернее становится всё ещё хуже чем было.

Ставить элементы пельтье «бутербродом» друг на друга когда и так они перегружены тоже не имеет никакого смысла. Если один элемент не может перевести 100 Ватт, то второй ещё сильнее не сможет перевести 250 Ватт уже от первого.

Трёхкаскадный модуль пельтье

Есть двухкаскадные (и даже трёхкаскадные) заводские сборки этих элементов, но они рассчитаны на то, что источник тепла очень слабый и обычно задача просто охладить что-то, допустим датчик какого-то чувствительного прибора.

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.

[quads id=1]

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

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.

Из диодов и транзисторов

Фактически любой элемент Пельтье представляет собой гирлянду из последовательно соединенных диодов, работающих в режиме пробоя. В сущности, любой электронный компонент, пропускающий ток в одном направлении и препятствующий его прохождению в обратном, построен на принципах соединения полупроводников p-n типа. Что в свою очередь наводит на мысли о схожести системы на искомую конструкцию, аналогичную той, которую имеет модуль Пельтье. Если брать во внимание диоды с пластмассовой оболочкой (включая излучающие свет), мешает доступу к самим контактным пластинам из разных металлов только сам корпус устройства.

Вот они, две пластины полупроводника в прозрачном диоде:

Случай транзисторов аналогичен, конечно учитывая то, что в большинстве из них три контакта, два из полупроводника одного типа и один (меньший) другого. Хотя избавиться от корпуса, если он металлический, проще, что довольно распространено у элементов названого типа — достаточно срезать верхнюю крышку и получить доступ к открытым контактным пластинам.

Металлический транзистор со снятой крышкой:

Саму процедуру избавления от корпуса возложим на читателей, с рекомендацией попробовать нагрев, кислоту или механическое снятие преграды. Что касается соединения контактных площадок, здесь некоторые фанаты, судя по имеющейся информации, использовали меднение их верхушек электрическим методом. Впоследствии к подготовленным участкам осуществлялась пайка проводящих контактов.

После получения требуемых металлов, главное, что нужно помнить при их подключении — направление прохождения тока и последовательное соединение, выглядящее, как p-n-p-n-p-n, учитывая тип полупроводников. Кроме того, чем больше будет использовано элементов в конструкции, вне зависимости от их размера, тем и выше КПД получившегося генератора или устройства создающего тепло вместе с холодом.

Как изготовить генератор на основе элемента Пельтье?

Генераторы на основе элемента Пельтье особенно интересуют людей, которые ввиду достаточно продолжительной отрезанности от цивилизации нуждаются в простом и доступном источнике энергии. Также они широко применяются при критическом перегреве деталей персонального компьютера.

Рис.2: Генератор на основе элемента Пельтье.

Элементы Пельтье имеют достаточно интересный принцип действия, но помимо этого обладают одной любопытной особенностью: если к ним прилагается разность температур, то они продуцируют электричество. Один из вариантов генератора на базе этого устройства предполагает следующую конструкцию:

По  двум трубкам (одна для входа, другая для выхода) движется пар, который направляется в полость теплообменника, сконструированный из пластины (материал: алюминий), имеющей толщину 1 см.

К каждому отверстию теплообменника подведено соединение с одним каналом. Габариты теплообменника точно дублируют габариты элементов Пельтье.   Два элемента фиксируются на двух сторонах теплообменника с помощью четырёх винтов (по 2 на каждую сторону). В результате, благодаря отверстиям и канальцам теплообменника формируется полноценная система сообщающихся отделов, через которые проходит пар. Двигаясь вперёд, пар входит в камеру по одной трубке и выходит через другую, двигаясь к следующей камере. Транслируемое паром тепло достаётся элементам Пельтье, когда пар непосредственно соприкасается с их поверхностью , а также с материалом теплообменника.

Чтобы вплотную прижать элементы к корпусу теплообменника , а также для организации отвода тепловой энергии на «холодную» сторону применяются пластины из алюминия на 0,5 см в толщину. На последнем этапе вся конструкция герметизируется силиконовыми  герметиками.

После этого через трубки пускают пар, а конструкция погружается в холодную воду. Вся система целиком начинает работать.  Электрический ток будет образовываться до тех пор, пока разница между температурой «горячей» и «холодной»  сторон не сократится до минимума.

Есть и более элементарный метод.

Элемент Пельтье выводами подсоединённый к зарядному телефонному кабелю закрепляется на алюминиевом радиаторе (который будет контактировать с «холодной» стороной) с помощь герметика. Сверху на устройство ставится любой горячий предмет, например, кружка с горячим чаем. Через пару секунд телефон можно ставить на зарядку. Зарядка будет продолжаться, пока чай не остынет.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Холодильник на элементах пельтье своими руками

Чтобы собрать холодильный агрегат вам понадобятся достаточное количество  электрических проводников и специальные инструменты (рисунок 3).

Холодильник на пельтье своими руками требует особого подхода к сборке и используемым материалам:

1. Основой для платы должна служить прочная керамика;
2. Для максимального температурного перепада надо подготовить не менее 20 связей;
3. Правильные расчеты — залог увеличения коэффициента полезного действия на 70%;
4. Наибольшую мощность используемому оборудованию даст фреон;
5. Самодельный модуль устанавливается возле его испарителя, рядом с мотором;
6. Монтаж производится стандартным набором инструментом с применением прокладок;
7. Они необходимы для изолирования рабочей модели от пускового реле;
8. Изоляция понадобится и для самой проводки, перед ее подключением к компрессору;
9. Чтобы избежать короткого замыкания, сила предельного напряжения звонится тестером.

Рисунок 3. С помощью элемента пельтье можно легко собрать походный холодильник

Подобную схему можно применить для автомобильного охладителя. Автохолодильник пельтье своими руками собирается на керамической плате толщиной не менее, чем 1 миллиметр. В нем используются медные немодульные связи с пропускной способностью в 4А и применяются проводники с маркировкой «ПР20», подходящие для контактов разного типа. Для соединения устройства с конденсатором используют обычный паяльник.

Кондиционер пельтье своими руками

В данном случае, для изделия могут применяться только проводники типа «ПР12» (рисунок 4).

Кондиционер пельтье своими руками собирается только на них, так как они выдерживают аномальные температуры и выдают напряжение до 23В:

1. Применяется в основном для охлаждения компьютерных видеокарт.
2. Его сопротивление колеблется в пределах 3 Ом.
3. Температурный перепад равен 10 градусам, а КПД — 65%.
4. Для него требуется 14 медных проводничков.
5. Для подключения задействуется немодульный переходник.
6. Устройство монтируется рядом с встроенным кулером на видеокарте.
7. Конструкция крепится металлическими уголками и обычными гайками.

Рисунок 4. Элемент используется и для создания портативных кондиционеров

Если во время работы кондиционера замечаются сильные посторонние шумы, другие нехарактерные звуки — он проверяется на работоспособность мультиметром.

Как сделать элемент для кулера питьевой воды?

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

Как проверить на работоспособность

При покупке и использовании может возникнуть вопрос, как проверить элемент Пельтье на работоспособность. Самый простой способ проверки — подключить термоэлемент к источнику напряжения и проверить обе его стороны рукой. Одна сторона должна быть холодной, а вторая начать нагреваться.

Если нет возможности использовать источник тока, от которого можно было бы осуществить питание элемента, то придется пойти от обратного. Для этого нужно иметь под рукой мультиметр и источник огня (лучше всего зажигалку). Выводы мультиметра необходимо подключить к проводам от элемента. После этого по одной из сторон нужно провести зажигалкой.

Обратите внимание! Если пластина рабочая, то под действием огня она начнет вырабатывать некоторое количество электричества. Это можно будет увидеть по показаниям электроизмерительного прибора.

Элемент Пельтье может использоваться во многих сферах деятельности обычного человека. Сделать качественный и эффективный элемент самостоятельно в домашних условиях достаточно сложно. Проще купить готовый в магазине и уже из него сооружать множество полезных конструкций дома.

Источники

• https://ProFazu.ru/elektrooborudovanie/samodelki-oborud/element-pelte-printsip-raboty.html
• https://www.asutpp.ru/chto-takoe-element-pelte-i-ego-primenenie.html
• https://pc-01.tech/peltie/
• https://www.RusElectronic.com/element-peltje/
• https://nowifi.ru/vyzhivanie-v-dikoy-prirode/105-element-pelte-svoimi-rukami.html
• https://elektronchic.ru/avtomatika/element-pelte.html
• https://FB.ru/article/192230/pelte-element-svoimi-rukami-kak-sdelat
• https://rusenergetics.ru/oborudovanie/element-pelte

Предыдущая

ТеорияПостоянный ток — определение и параметры

Следующая

ТеорияЧто такое абсолютная диэлектрическая проницаемость?

Энергетическое образование

4.

Термоэлектрический холодильник

Принцип действия термоэлектрического холодильника. Термоэлектрический холодильник строится на элементах Пельтье, бесшумен, но большого распространения не получил из-за дороговизны охлаждающих термоэлектрических элементов. Тем не менее, сумки-холодильники, небольшие автомобильные холодильники и кулеры питевой воды часто делаются с охлаждением от элементов Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.

Принцип действия. 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. 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). Протекающий электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды.

В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур. Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К. Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Кроме того элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Принцип работы и применение – Robocraze

Что такое охладитель Пельтье: принцип работы и применение — Робобезумие перейти к содержанию

Что такое охладитель Пельтье

Модуль Пельтье — это электронный компонент, который помогает противостоять тепловым проблемам в цепи. Для работы многих компонентов схемы может потребоваться прохладная среда, в то время как другим может потребоваться поддержание определенной температуры, а не выше или ниже ее, для эффективной работы. Здесь радиаторы и охлаждающие вентиляторы могут не работать из-за архитектуры, поэтому на помощь приходят модули Пельтье, решая возникшую проблему, а также поддерживая архитектуру.

Принцип работы

Есть две керамические пластины, разделенные полупроводниковыми гранулами, когда ток протекает через полупроводниковую таблетку, одна пластина рассеивает тепло, а другая поглощает тепло.

ref:CUI devices

Модули Пельтье работают по принципу эффекта Пельтье. Этот эффект вызывает разницу температур за счет передачи тепла между двумя соединениями. Основное применение модуля Пельтье — охлаждение, но этот модуль также можно использовать для нагрева или поддержания температуры.

Радиатор и охлаждение

Поскольку мы знаем, что элемент Пельтье охлаждает одну сторону и нагревает другую сторону, использование соответствующих радиаторов с элементами Пельтье становится весьма необходимым. Из-за чрезмерного нагревания одной стороны элемента Пельтье модуль может расплавиться или получить внутренние повреждения, поэтому радиатор будет отводить тепло от поверхности элемента Пельтье и поддерживать его работоспособность и целостность.

 

В дополнение к радиатору можно даже использовать охлаждающий вентилятор, чтобы предотвратить перегрев Пельтье, охлаждающие вентиляторы бывают разных размеров. вашего проекта и не позволяйте ему быть громоздким.

 

Радиаторы и охлаждающие вентиляторы защищают элементы Пельтье от перегрева и защищают окружающую среду вашего оборудования от неблагоприятного воздействия охлаждения Пельтье.

Примечание о соответствующем источнике питания для использования с датчиком Пельтье.

Блок питания микросхемы Пельтье  Зависит от используемой микросхемы Пельтье. На основе общего использования Пельтье потребляет приблизительно 60 Вт мощности. Таким образом, максимальное напряжение, которое вы можете подать на основе этого рейтинга, составляет 15 вольт с током 6 ампер, поэтому можно использовать любой источник питания, который может обеспечить вам то же самое.

О чем следует помнить при использовании Пельтье.

При выборе модуля Пельтье для реализации в проекте очень важно знать, что говорится в техническом описании имеющегося в наличии модуля Пельтье.

A Пельтье Технический паспорт Обычно состоит из следующих терминов на 1-й странице

1. Температура горячей стороны

2.Q max

3. Delta Tmax

4.Imax

5.Vmax 90 005

6.Модуль Сопротивление

Важно, чтобы пользователь не превышал уровни Imax и Vmax при работе с модулем.

Всегда следует обращаться в HB для получения информации о вариантах защиты от влаги.

Существует также частота отказов и ожидаемый срок службы модуля, указанные в техническом описании, которые следует учитывать для получения исчерпывающей информации о модуле.

Избегайте повреждения элемента Пельтье:

Номинальные значения тока и напряжения элемента Пельтье должны поддерживаться на максимальном уровне, но это значение не должно превышаться, так как это может быть основной причиной повреждения элемента Пельтье.

Многие люди склонны увеличивать ток через Пельтье для увеличения охлаждения, что оправдано, но только до определенной степени. Ток через Пельтье пропорционален Охлаждению, но тепло, выделяемое внутри модуля, пропорционально квадрату тока, поэтому через определенный момент времени, если ток увеличивается слишком сильно, даже если он находится в пределах безопасности, квадратичное отношение может преобладать над линейным отношением, и Пельтье может быть поврежден.

Во-вторых, механическое давление на элемент Пельтье может привести к возникновению трещин внутри модуля, которые могут повредить работу элемента Пельтье.

Применение Пельтье

Охлаждающий модуль, такой как Пельтье, имеет множество применений, поскольку он может выступать в качестве основы многих электронных процессов.

1. Мини-холодильники: В качестве небольшого электронного проекта можно использовать Пельтье для создания мини-холодильников, которые могут даже производить лед.
2. Офтальмологические лазеры: Внутри офтальмологических лазеров элемент Пельтье используется для поддержания температуры лазерных диодов ниже определенной температуры и охлаждения кристаллов.
3. Приборы ночного видения: во избежание шума изображения датчики изображения охлаждаются с помощью элемента Пельтье
.
4. Охлаждение аккумуляторов электромобилей: можно использовать элементы Пельтье для охлаждения литий-ионных аккумуляторов электромобилей
5. криоконсервация: мы можем использовать Пельтье для сохранения тканей, клеток и других подобных веществ при низких температурах, которые охлаждаются с помощью Пельтье
.

— Robocraze —

14 июня 2021 г.

Robocraze — самый надежный в Индии магазин робототехники и товаров для дома. Мы стремимся способствовать росту знаний в области встроенных систем, Интернета вещей и автоматизации.

Компоненты и расходные материалы

TEC1 12706 Модуль Пельтье

TEC1 12706 Модуль Пельтье

Обычная цена

рупий 189

Цена продажи

рупий 189

Обычная цена

рупий 240

Цена за единицу товара

/за 

Вкл. GST (без скрытых платежей)

Обычная цена

рупий 189

Цена продажи

рупий 189

Обычная цена

рупий 240

Цена за единицу товара

/за

Вкл. GST (без скрытых платежей)

TEC1-12715 Модуль Пельтье

TEC1-12715 Модуль Пельтье

Обычная цена

рупий 329

Цена продажи

рупий 329

Обычная цена

рупий 424

Цена за единицу товара

/за 

Вкл. GST (без скрытых платежей)

Обычная цена

рупий 329

Цена продажи

рупий 329

Обычная цена

рупий 424

Цена за единицу товара

/за 

Вкл. GST (без скрытых платежей)

Вам также может быть интересно прочитать:

— Robocraze —

МОДУЛЬ РАСПОЗНАВАНИЯ ГОЛОСА

— Robocraze —

Полное руководство по созданию робота

— Robocraze —

Функциональность датчика Flex и приложения

---

Вернуться к сообщению ` : «»} ` константная выдержка = document.querySelector(«.excerpt»).innerHtml document.querySelector(«.excerpt-container»).outerHTML += doc }

Используйте стрелки влево/вправо для перемещения по слайд-шоу или проведите пальцем влево/вправо при использовании мобильного устройства

Что такое эффект Пельтье?

Термоэлектричество – это электричество, полученное непосредственно из тепла. Производство электричества из тепла называется эффектом Зеебека по имени немецкого физика Томаса Дж. Зеебека, открывшего это явление в 1820-х гг.

Термоэлектричество возникает в электрической цепи, в которой два разнородных проводника или полупроводника соединены на концах. Когда температура одного из спаев отличается от температуры другого, в цепи будет протекать постоянный электрический ток. Для данной термоэлектрической цепи, работающей в данном диапазоне температур, величина тока зависит главным образом от разности температур между двумя спаями; в общем, чем больше разница температур, тем больше ток.

Эффект Зеебека можно обратить; т. е. при пропускании постоянного тока через цепь, в которой два разнородных проводника или полупроводника соединены своими концами, в одном из переходов будет происходить нагрев, а в другом — охлаждение. Этот термоэлектрический эффект называется эффектом Пельтье по имени французского физика Жана К. А. Пельтье , открывшего его в 1830-х гг. Разработаны небольшие обогреватели и холодильники, работа которых основана на этом эффекте.

 

Эффект Пельтье (слева) Эффект Зеебека (справа)

Теория

Объяснение эффекта Зеебека требует понимания поведения электронов внутри металла. Не все электроны внутри металла связаны с определенными атомами; некоторые могут свободно передвигаться. Эти свободные электроны ведут себя как газ. Плотность «свободных» электронов (количество в единице объема) различается от металла к металлу. Следовательно, когда два различных металла соприкасаются, их электронные газы диффундируют друг в друга. Из-за разной плотности электронных газов и из-за того, что электроны несут электрический заряд, металлы на стыке становятся противоположно заряженными. Эта разница в заряде создает разность потенциалов на переходе. Степень диффузии «электронных газов» зависит от температуры. Если два перехода находятся при разных температурах, между ними будет существовать разность потенциалов и будет протекать ток.

Особо точная, экологически чистая, энергосберегающая система нагрева и охлаждения с технологией Пельтье используется в охлаждаемом инкубаторе Memmert IPP , климатической камере постоянных условий HPP и камере хранения IPS . Нагрев и охлаждение в одной системе: если на элемент Пельтье подается напряжение, одна сторона охлаждается, а противоположная сторона одновременно нагревается. Просто поменяв полярность напряжения питания, можно поменять местами горячую и холодную стороны элемента Пельтье.

 

Технология Пельтье работает особенно экономичным и энергосберегающим образом при температурах, близких к температуре окружающей среды, поскольку энергия требуется только в случае необходимости нагрева или охлаждения, в отличие от компрессорной технологии. Здесь можно очень точно настроить функции нагрева или охлаждения.

В режиме обогрева, так же как и в тепловом насосе, тепловая энергия забирается из окружающего воздуха и передается во внутреннюю камеру.