Элементы Пельтье? Элементарно! — NIKOLAB

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

 

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

 

Обычно элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре, которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой.

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

 

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

 

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

 

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

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

 

 

По материалам Wikipedia

Термоэлемент Пельтье: принцип охлаждения и применение

21 августа 2019Рубрика: НовостиАвтор: Администратор

Содержание

1. Описание и сфера применения
2. Технические характеристики
3. Внутреннее устройство и принцип работы
4. Расшифровка маркировок
5. Плюсы и минусы устройства

Современный человек не представляет свою жизнь без холодильника. В нем мы храним различные продукты, медикаменты, косметику и т.д. Однако обычный холодильник нельзя взять с собой в путешествие. Для этой цели можно использовать специальную сумку с термоэлементом Пельтье.

Описание и сфера применения

Термоэлемент Пельтье – это специальное охлаждающее устройство, принцип действия которого основан на одноименном эффекте. Своим названием он обязан первооткрывателю Жану Шарлю Пельтье.

Суть эффекта заключается в том, что контакт разных проводников способствует выделению или поглощению тепла. Объясняется это следующим образом: контактная разность потенциалов заставляет электроны замедлять или ускорять свое движение. Соответственно, это приводит к выделению или поглощению тепловой энергии.

Элементы Пельтье нашли широкое применение в системе охлаждения. Они используются в автомобильных холодильниках, настольных охладителях, кулерах для воды и даже в процессорах компьютеров.

Технические характеристики

Как и все электронные устройства, элементы Пельтье имеют ряд технических характеристик, которые позволяют выбрать наиболее подходящий прибор. При покупке устройства необходимо обратить внимание на следующие показатели:

• холодопроизводительность;
• максимальный температурный перепад между сторонами элемента;
• допустимую силу тока;
• максимальное напряжение;
• внутреннее сопротивление резистора;
• коэффициент эффективности.

Все эти данные можно получить у производителя или найти в техническом паспорте устройства. Показатели следует подбирать в зависимости от цели, для которой приобретается прибор.

Внутреннее устройство и принцип работы

Элемент Пельтье представляет собой небольшой модуль, состоящий из двух пластин изоляторов, изготовленных из керамики. Между ними располагаются последовательно соединенные термопары. Соединение осуществляется с помощью медных шин. Количество термопар зависит от назначения устройства. Некоторые приборы могут иметь только одну пару, другие – несколько сотен.

Каждая термопара состоит из полупроводников р – типа и n – типа. Одна часть модуля контактирует с p-n парой, другая — с n-p. Сторона с p-n контактами нагревается, а противоположная, соответственно, охлаждается.

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.

Плюсы и минусы устройства

Элемент Пельтье – это уникальное устройство, имеющее массу преимуществ. Среди них можно выделить следующие:

• отсутствие движущихся деталей, жидкостей и газов;
• бесшумная работа;
• небольшие размеры;
• возможность выполнения двух функций: нагревание и охлаждение.

Однако прибор имеет достаточное количество недостатков, из-за которых его нельзя использовать вместо обычного холодильника. Основными недостатками термоэлемета являются:

• низкий КПД (прибор способен понизить температуру лишь на несколько градусов относительно окружающей среды);
• отсутствие возможности работы без постоянного источника питания;
• ограниченное число циклов запуск-отключение;
• постепенное включение и отключение.

Элемент Пельтье используется во многих современных приборах, предназначенных для регулировки температуры. Устройство одновременно греется и охлаждается с разных сторон. Данный термоэлемент чаще всего используется в переносных или автомобильных холодильниках.

Принцип работы | PS9888 | Устройство точечного охлаждения

В нашем проекте используются термоэлектрические охладители для снижения температуры окружающей среды с 30°C в жарком и влажном Сингапуре до 24°C прохладного воздуха, который затем можно обдувать человека для охлаждения определенного участка. В этом разделе мы обсудим принципы и теорию термоэлектрического и радиационного охлаждения.

Термоэлектрические охладители (ТЭО)

Термоэлектрические охладители (ТЭО) работают на основе эффекта Пельтье.

Эффект Пельтье создает разницу температур за счет передачи тепла между двумя электрическими соединениями. Напряжение, приложенное к двум соединенным вместе проводникам, создает электрический ток. При протекании тока через места соединения проводников тепло отводится с одной стороны и отводится с другой. Это создает охлаждающий эффект с одной стороны и нагревающий эффект с противоположной стороны. Присоединение радиатора к горячей стороне позволяет быстро рассеивать тепло, позволяя горячей стороне TEC оставаться близкой к температуре окружающей среды. С другой стороны, холодная сторона может достигать температуры ниже комнатной.

Внутри пластины TEC есть два уникальных полупроводника, один n-типа и один p-типа. Они выбраны из-за разницы в плотности электронов. Чередующиеся полупроводниковые столбы n-типа и p-типа расположены последовательно друг к другу в электрическом ряду. Затем они соединяются с теплопроводной пластиной с обеих сторон. При подаче постоянного тока сторона с охлаждающей пластиной поглощает тепло, которое затем переносится полупроводником на одну сторону устройства.

Сторона с нагревательной пластиной отводит тепло, которое также переносится полупроводником на другую сторону устройства, создавая тем самым разницу температур.

Рис. 1: Принцип работы термоэлектрического охладителя

Радиационное охлаждение

Радиационное охлаждение — это процесс, при котором тело теряет тепло посредством излучения.

Используя воду для отвода отводимого тепла с горячей стороны пластины Пельтье, тепло от горячей воды можно затем отводить от установки посредством радиационного охлаждения. Вентилятор используется для перемещения воздуха через радиатор, отводя тепло от радиатора и, следовательно, от воды. Вода в горячем резервуаре также выполняет роль поглотителя тепла из-за высокой удельной емкости воды. Это охлаждает горячую сторону Пельтье, позволяя снизить температуру горячей стороны. С другой стороны, воду можно охлаждать с помощью холодной стороны элемента Пельтье и пропускать через радиатор. Затем движущийся воздух охлаждается, когда он проходит через радиатор и направляется к пользователю.

Использование радиаторов с большей площадью поверхности означает, что тепло может быстрее отводиться на горячей стороне, а воздух может соответственно охлаждаться в большей степени на холодной стороне. Для горячего резервуара используется больший объем воды, в то время как количество воды для холодной стороны сведено к минимуму. Это усиливает эффект Пельтье, позволяя горячему воздуху, выходящему из системы, иметь температуру, близкую к температуре окружающей среды, в то время как холодный воздух, поступающий к пользователю, имеет температуру ниже комнатной.

элементов Пельтье

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

—> Купить контроллер TEC здесь

Содержимое

• Основы элемента Пельтье
  • Модель элемента Пельтье
  • Параметры элемента Пельтье
• Свойства и поведение элементов Пельтье
  • Сравнение теплового насоса с текущим
  • Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)
  • Отвод тепла от элемента Пельтье
  • Зависимость отведенного тепла от dT
  • Зависимость напряжения от тока
• Многокаскадные элементы Пельтье
• Производители

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье способен передавать тепло с помощью эффекта Пельтье. Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами, когда течет ток.

В зависимости от направления протекания постоянного тока можно охлаждать и нагревать с помощью элементов Пельтье без замены разъемов или механической настройки. Дополнительные преимущества заключаются в возможности реализации небольших конструкций и отсутствии движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, регулируется контроллером ТЭО.

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

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

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

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

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

Элемент Пельтье, модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели. В этой модели учитываются следующие три эффекта

• Эффект Пельтье Q _p : Перенос тепла с одной стороны на другую. Описано в этом уравнении Q _p = I * α * T
• Обратный поток тепла Q _Rth : Поток тепла с горячей стороны на холодную. Описано в этом уравнении Q _Rth = dT / Rth
• Джоулевы нагрев/потери Q _Rv представляет собой сопротивление R _v : Описанное в этом уравнении Q _Rv
  = I ² * R _v / 2.
  холодная сторона. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не включается в это уравнение.

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

В случае охлаждения уравнение для Q _c . выглядит следующим образом: Q _c = Q _p — Q _Rth — Q _Rv .

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляются производителем: Q

max , dT _max , U _max , I _max

• Q _max : Максимальная производительность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 °K
•  dT _max : Максимальная разность температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
•  I _max : Ток через элемент Пельтье при Q _max
•  U _макс. : Напряжение через элемент Пельтье при Q _макс.

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

В термоэлектрическом применении всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q _c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементами Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье. Подобные схемы иногда используют и производители, например Ferrotec. Все значения на графиках относительные.

Тепловой насос в зависимости от тока

На этой нормализованной диаграмме показано соотношение между выходной мощностью теплового насоса по оси y и током по оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной сторонами (dT = T _{горячий} — T _{холодный} ) в случае охлаждения.

Динамика системы. Нормированная диаграмма Тепловой насос в зависимости от тока

Только при относительно небольшой разнице температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда необходимы более высокие перепады температур.

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

Обычно ток через элемент Пельтье должен составлять от 0 до 0,7 умноженного на I _max .

Динамика системы

Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос в зависимости от тока

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

Если мы используем элемент Пельтье с током около 25% от I _макс. можно компенсировать увеличение dT на 10 градусов по Кельвину — точка от A до B — Чтобы обеспечить постоянную производительность теплового насоса, ток должно быть увеличено. Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если мы перейдем от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I _max , нам потребуется больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать 10- Повышение dT по шкале Кельвина — точки от D до E — когда производительность теплового насоса не должна изменяться. Производительность теплового насоса можно увеличить без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает при максимальном токе, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока. Переход от более низкой к более высокой разности температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (КПД) (КПД)

Определение КПД – это теплота, поглощаемая на холодной стороне Q _C , деленная на входную мощность P _el элемента Пельтье: КПД = Q _C /P _эль . COP в принципе представляет собой эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

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

На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от текущего соотношения. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий наибольшую производительность для соответствующей разницы температур dT.

С левой стороны мы видим, что КПД максимален при наименьшей разнице температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электрической мощности. Как видим, в зависимости от dT соответствующий максимум КПД находится на разных уровнях тока — при большем dT он смещается вправо. Если мы проследим за кривой вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить только небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что более высокие токи необходимы для создания более высоких перепадов температур.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT > 0 K, заключается в том, что сначала обратный поток тепла Q _Rth должен быть скомпенсирован эффектом Пельтье Q _p , прежде чем элемент Пельтье остынет.

Тепло, отводимое элементом Пельтье

На следующей диаграмме показана теплота Q _h , рассеиваемая на теплой стороне элемента Пельтье, в зависимости от тока при охлаждении.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока при различных перепадах температур dT.

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

Зависимость отведенного тепла от dT

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

Нормализованная диаграмма, показывающая количество тепла, отводимого радиатором, в зависимости от количества перекачиваемого тепла в зависимости от тока для различных значений dT.

Это означает, что при большом dT теплоотвод рассеивает большое количество тепла при сравнительно малом количестве тепла, поглощаемом на холодной стороне элемента Пельтье.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q _C = 1 Вт. Это приводит к теплу 1,75 Вт на горячей стороне Q _ч = 1,75 Вт, если dt = 20 K. При dT = 40 K это около 3,5 Вт на горячей стороне Q _ч = 3,5 Вт. при разных значениях температурных перепадов между горячей и холодной стороной (dT = T _{горячий} — Т _{холодный} ) в случае охлаждения.

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

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

Многоступенчатые элементы Пельтье

Многоступенчатые элементы Пельтье

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

Изготовители

Изготовители	Описание	Страна
Ferrotec Thermal. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника