Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам / Хабр

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать

инновационные продукты на его основе

(нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями, так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

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

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Итак, маленький элемент — 5В*2А, большой — 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.

Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…

Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

Элемент Пельтье (TEC):ликбез от дилетанта estimata

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

В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TE.

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

Плюсы элементов Пельтье:

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

Минусы элементов Пельтье:

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

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

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

Принцип действия элемента Пельтье

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

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

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

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

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

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

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

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

Маркировка элементов Пельтье

Маркировка элемента Пельтье разделена на три группы

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

Вот пример расшифровки маркировки элемента Пельтье

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

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

Технические параметры элементов Пельтье

Главными параметрами у элементов Пельтье являются:

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

Модуль пельтье принцип работы

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

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

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

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

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi₂Te₃ и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу – противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

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

Достоинства и недостатки [ править | править код ]

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

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

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

В батареях элементов Пельтье [1] возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Применение [ править | править код ]

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

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

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

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

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

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

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

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

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

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

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

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi₂Te₃ и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу – противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

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

Достоинства и недостатки [ править | править код ]

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

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

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

В батареях элементов Пельтье [1] возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Применение [ править | править код ]

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Спасибо вам за поддержку!

Элемент пельтье

Как оптимизировать работу холодильной машины на элементах Пельтье

На рисунках представлены графики величин, влияющих на КПД элементов Пельтье. Первое, что бросается в глаза – коэффициент термо-ЭДС стремится к нулю по мере роста концентрации носителей заряда. Это напоминает, что металлы не считаются лучшим материалом для создания термопар. Теплопроводность, напротив, возрастает. В термодинамике считается, что она слагается из двух компонентов:

1. Теплопроводность кристаллической решётки.
2. Теплопроводность электронная. Указанная составляющая по очевидным причинам зависит от концентрации свободных носителей заряда и обусловливает рост кривой на представленном графике. Теплопроводность кристаллической решётки остаётся практически постоянной.

Исследователей интересует произведение квадрата коэффициента термо-ЭДС на электропроводность. Упомянутая величина стоит в числителе выражения для холодильного коэффициента. Согласно данным, экстремум наблюдается при концентрации свободных носителей в районе 10 в 19 степени единиц на кубический сантиметр. Это на три порядка меньше, чем отмечается в чистых металлах, откуда прямо следует заключение, что идеальным материалом для элементов Пельтье станут полупроводники.

Доля второй компоненты уже сравнительно невелика в меньшую сторону по оси абсцисс, допускается брать и материалы из этого интервала. Электропроводность диэлектриков слишком мала, что объясняет невозможность их применения в данном контексте. Все это позволяет установить причину, почему выводы Альтенкирха не воспринимаются всерьёз.

Немного теории

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

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

Базовая схема устройства ТЭМ

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

Структура термоэлектрического элемента (модуля Пельтье)

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

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.

Устройство и принцип работы элемента Пельтье

Для того, чтобы получить максимальный эффект понижения температуры, применяется соединение термоэлементов в виде каскадов. Благодаря подобному устройству, на выходе стало возможным получить максимально низкую температуру и значительно увеличить саму эффективность охлаждения.

Для того, чтобы повысить холодопроводность не прибегая к значительному увеличению I, все элементы Пельтье соединяются последовательно в устройство, получившее название батареи.

Таким образом, нынешний модуль состоит из двух пластин, выполненных из керамики и играющих роль изоляторов, между которыми расположены термопары, соединенные последовательным образом.

При этом, расположение элементов в подобной батарее осуществляется следующим образом:

• Нижняя, горячая сторона.
• Верхняя, холодная сторона.
• Полупроводники, функционирующие на основе n-перехода.
• Полупроводники, функционирующие на основе p-перехода.
• Проводники из меди.
• Клеммы (контакты), служащие для присоединения к ИП (источнику питания).

Здесь p-n переходом (positive-negative) принято считать электронно-дырочный переход в месте соединения полупроводников n (носители зарядов – электроны) и p типа (дырки с положительным зарядом, возникающие в процессе отрыва электрона от атома).

При p-n возникает переход от одного вида проводимости к другому.

В зависимости от расположения, каждая из сторон (горячая или холодная) имеет контакт только с переходом p-n либо n-p. При этом осуществляются следующие функции:

• p-n – нагрев.
• n-p – охлаждение.

Благодаря переносу Q с одной стороны батареи на другую, между ними возникает дельта температур (DT). Как уже было сказано выше, если изменить полярность, то горячая и холодная поверхности просто поменяются местами.

На данном рисунке холодная сторона батареи обозначена как B (синим цветом), горячая – как А (красным цветом соответственно).

Технические характеристики элементов Пельтье

Всем термоэлектрическим модулям с элементом Пельтье присущи следующие характеристики:

• Qmax (холодопроизводительность) – представляет собой максимально допустимый I и разницу T двух сторон батареи. Единица измерения – Ватты. Принято считать, что количество тепловой Q, поступающей на холодную стороны, передается на горячую мгновенно, с нулевыми потерями.
• DTmax – максимум перепада температур между пластинами, измеряется в градусах. При этом, данный параметр учитывается при идеальных условиях работы: горячая сторона – 27C, холодная – отдача тепла равна нулю.
• Imax – максимальный I, необходимый для обеспечения DTmax, измеряется в Амперах.
• Umax – величина напряжения, которая будет иметь место при Imax и DTmax (измеряется в Вольтах).
• Resistance – внутреннее R модуля по постоянному току DC, измеряется в Омах.
• COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, представляющий собой отношение Q охлаждения к Q, которое потребляет весь элемент и представляет собой не что иное, как КПД, при этом его величина колеблется от 0,3 до 0,5.

Каким образом маркируются элементы Пельтье

При маркировке подобных термоэлементов всегда используют стандартные обозначения, а именно:

• Две первые буквы означают непосредственно тип элемента, а именно – ТЕ – термоэлемент.
• Третья буква относится к размеру модуля и может быть выполнена в двух вариантах:
  • С – classic, стандартный размер термоэлемента.
  • S – small, маленький размер.
• Далее следует числовое значение, отражающее количество каскадов в ТЕ. Как правило, большинство из них относятся к однокаскадным.
• После тире следует число, означающее количество термопар внутри ТЕ.
• Последняя цифра – номинальное значение I (Амперы).

Иногда в маркировку после всех цифр добавляется значение, относящееся к размерам модуля.

Пример маркировки: ТЕС1-12706-40 (40х40 мм).

Использование термоэлектрических и электротермических эффектов

Долгое время прямой и обратный термоэлектрический эффект не находили применения, полезная величина оказывалась слишком мала. Постепенно физики создали сплавы свойства которых на два порядка перекрывают чистые металлы, использованные Пельтье и Ленцом. Теперь термоэлектричество находит применение. Вспомним термостат холодильника либо термоэлектрические холодильники без движущихся частей. Гораздо интереснее космическая отрасль, где явление применяется для охлаждения фоторезисторов: при понижении температуры лишь на 10 градусов чувствительность подобных датчиков вырастает на порядок.

Дополнительным плюсом описанных технических решений становятся компактность и малое потребление энергии: при весе 150 г установка охлаждает терморезистор на 50-60 градусов. В бытовой электронике эффектом Пельтье поддерживается нормальный режим процессоров в системном блоке персональных компьютеров. Да, стоит техническое решение недёшево, зато бесшумность гарантирована. К примеру, энтузиасты с 2010-х годов конструируют холодильники в домашних условиях. Высокого КПД не удаётся добиться из-за больших потерь через корпус. Но с появлением новых изолирующих строительных материалов положение дел улучшится.

Интересно, что при изменении направления электрического тока эффект начинает работать в противоположную сторону. Возможен нагрев. На базе описанных эффектов создают термостаты, отслеживающие температуру до тысячных долей градуса. Среди перспективных направлений отмечают бытовые кондиционеры и прочие системы охлаждения. Самым заметным недостатком считается цена. И не нужно забывать, что КПД кондиционера, как правило, больше 1, работает этот агрегат по принципу теплового насоса. Пусть эффективность резко падает с ростом температуры окружающей среды, термопары пока сильно отстают от традиционных методов охлаждения со своими 10%.

Высказываются иные мнения. Академик Иоффе, отдельные сентенции которого использованы в приведённом топике, предложил создавать системы для обогрева и охлаждения помещения по типу сплит-систем. В этом случае возникает осложнение, как с типичными кондиционерами, но КПД достигает 200%. Смысл: при обогреве, допустим, поглощающий тепло спай размещается снаружи, а выделяющий – в помещении. Качать из мороза жар нелегко, потому у методики присутствуют ограничения. Однако не запрещено на основе указанной методики создавать тепловые насосы.

К безусловным плюсам климатических систем, использующих элемент Пельтье, относится возможность работы в обратном направлении.2$) не зависит от направления тока. Теплота, которая выделяется (или поглощается) в результате эффекта Пельтье пропорциональна первой степени силы тока ($Q_P\sim I$) и изменяет знак при смене направления тока. Кроме того, тепло Джоуля – Ленца зависит от сопротивления проводника, теплота Пельтье от него не зависит.

Обычно, теплота Пельтье существенно меньше, чем тепло Джоуля — Ленца. Для того, чтобы выявить эффект именно от явления Пельтье следует как можно сильнее уменьшить тепло Джоуля – Ленца, применяя толстые проводники с минимальным сопротивлением.

Пример 1

Задание: Покажите, что если считать электронный газ в проводнике невырожденным, то коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала.

Решение:

Количество электронов (N), которое проходит через единичную площадку, перпендикулярную к направлению тока, за $1 с$ равно:

\

где $j$ — плотность тока, $q_e\ $– заряд электрона.

Энергия электрона равна сумме его кинетической ($E_k$) и потенциальной энергий ($E_p=-q_e\varphi $). Если через $\left\langle E_k\right\rangle $ обозначить среднюю энергию для N электронов, то поток энергии ($P$) равен:

\

где $\left\langle E_k\right\rangle \ne \frac{3}{2}$ kT– не равно средней кинетической энергии равновесного электронного газа, что объяснимо тем, что в случае вырожденного газа не все электроны могут ускоряться электрическим полем.

Рассмотрим проводники 1 и 2 при одинаковой температуре. К каждой единице поверхности контакта в проводнике 1 подводится в единицу времени энергия $P_1$, а отводится в проводнике 2 энергия равная $P_2$. Значения потенциалов с обеих сторон контактной плоскости равны ${\varphi }_1$ и ${\varphi }_2$. Причем ${\varphi }_1$ $\ne $ ${\varphi }_2$. Кроме того в общем случае, имеем, что:

\

Для поддержания температуры контакта без изменений с каждой единицы поверхности в единицу времени нужно отводить (или подводить) энергию, равную $P_1-P_2.\ $Из выражения (1.3) следует, что:

\

Это означает, что выделяется (или поглощается) тепло Пельтье ($Q_p$). В том случае, если $S$ — площадь контактирующих поверхностей, то тепло Пельтье равно:

\It\left(1.5\right),\]

где $I=jS$ — сила тока. Мы знаем, что теплоту Пельтье выражают как:

\

Или для нашего случая из выражения (1.7) можно записать:

\

Сравним выражение (1.7) и формулу (1.5), получим для коэффициента Пельтье выражение:

\\left(1.8\right).\]

Так как нас интересует тепло в контакте, и мы не рассматриваем тепло Джоуля — Ленца в объеме, то в формуле (1.5) следует под $P_1\ и\ P_2$ понимать их значения у самой плоскости контактов. Значит выражение ${\varphi }_1-\ {\varphi }_2=U_{i12}$ – контактный скачок потенциала.

Если электронный газ в проводниках является невырожденным, то ускоряются полем все электроны. Распределение импульсов описывается законом Максвелла, и оно зависит только от температуры, тогда $\left\langle E_{k2}\right\rangle =\left\langle E_{k1}\right\rangle $, следовательно:

\

В таком случае, коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала, при этом тепло Пельтье равно работе, которую совершает ток из-за перепада напряжений.

Что и требовалось показать.

Пример 2

Задание: Чему равен коэффициент Пельтье при температуре T=0 K (случай сильно вырожденного электронного газа)?

Решение:

В состоянии сильного вырождения (T=0 K) все квантовые состояния в зоне проводимости с энергией, которая меньше уровня Ферми полностью заняты электронами. При этом ускоряться полем могут только электроны, которые имею энергии равную энергии Ферми (в первом приближении энергию Ферми примем равной химическому потенциалу $\mu $). Поэтому в формуле для коэффициента Пельтье, которую мы получили в предыдущем примере:

\\left(2.1\right)\]

под $\left\langle E_{k2}\right\rangle \ и\ \left\langle E_{k1}\right\rangle $ надо понимать максимальные кинетические энергии электронов и принять, что:

\

С другой стороны мы знаем, что:

\

Подставим выражения (2.3) и (2.2)

в формулу (2.1), получим:

\=0.\]

Ответ: При $T$=0 $K$, $П_{12}=0\ В.$

Устройство термоэлектрического модуля (элемента Пельтье)

В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока через цепь из различных проводников, место соединения проводников охлаждается или нагревается в зависимости от направления тока. Количество поглощаемой теплоты пропорционально току, проходящему через проводники.

В результате работ российского академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, были синтезированы полупроводниковые сплавы, которые позволили применить этот эффект на практике и приступить к серийному выпуску термоэлектрических охлаждающих приборов для широкого применения в различных областях человеческой деятельности.

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном элементе Пельтье термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах – от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности – от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через элемент Пельтье постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны элемента Пельтье меняются местами.

Современные однокаскадные термоэлектрические охладители (Элементы Пельтье) позволяют получить разность температур до 74–76 К. Для получения более низких температур применяются многокаскадные модули, представляющие собой несколько однокаскадных модулей с последовательным тепловым соединением между собой. Например, серийно производимые фирмой Криотерм четырехкаскадные термоэлектрические элементы Пельтье позволяют развить разность температур до 140 К.

Генераторный режим элемента Пельтье

Открытие Жака-Шарля Пельтье буквально перевернуло мир, так как устройство может использоваться в качестве универсального генератора тепла и холода. Кроме этих функций, был отмечен еще один немаловажный эффект – генераторный режим. Если теплую сторону устройства нагревать, а холодную охлаждать, то на выводах возникает разница потенциалов, и при замыкании цепи начинает течь ток.

Генератор на основе элемента Пельтье можно сделать своими руками и для этого не потребуется особых навыков. Но стоит понимать, что используемый китайскими разработчиками материал не обладает идеальными характеристиками, позволяющими получать максимум энергии. Доступных термоэлектрических модулей в продаже хватит для:

• зарядки мобильных устройств;
• питания светодиодного освещения;
• изготовления автономного радиоприемника и прочих целей.

По этой теме можно найти массу видео с подробным описанием всех этапов. Поэтому если вы хотите сделать термоэлектрический модуль для получения энергии, то это вполне реально.

Первым делом необходимо заказать необходимое количество элементов Пельтье с учетом их характеристик. Устройство с мощностью 10 Вт на том же e — Bay стоит 15$. И этого вполне достаточно будет для зарядки смартфонов. Далее, необходимо обеспечить эффективное теплоотведение. Для этих целей можно сконструировать систему жидкостного охлаждения с естественной циркуляцией. А горячую сторону нагревать любым источником тепла, в том числе открытым огнем. В результате любой радиолюбитель может сделать сам великолепный термоэлектрический генератор, который можно взять с собой в поход, на рыбалку или дачу.

Один стандартный элемент-ячейка вырабатывает 5 В и 1 Вт мощности, чего вполне достаточно для небольшого освещения. Например, для изготовления фонарика с подогревом от тепла рук. В продаже имеются и готовые элементы с выходным напряжением до 12 В.

Переносная термоэлектрическая печка с генераторным режимом

Сегодня можно найти массу способов, как сделать своими руками достаточно эффективный термоэлектрический генератор на основе элемента Пельтье. Как один из них – портативная печка с топкой из старого компьютерного блока питания. К одной из сторон корпуса прикрепляется сам термоэлектрический элемент Пельтье через термопасту с радиатором внушительных размеров. Такая установка позволит получить тепло в любом удобном месте, приготовить пищу и зарядить телефон.

Биография

Ратуша в Ле-Мане

De occulta parte numerorum, quam algebram vocant, 1560

Родился в семье адвоката. Закончил Наваррский коллеж Парижского университета, где его брат состоял профессором философии и математики. Сам Жак Пелетье изучал медицину и право, но по окончании университета отказался от карьеры юриста и стал увлечённо осваивать древние языки и математику. Одновременно он стал завсегдатаем литературного салона Маргариты Наваррской.

В 1541 году Пелетье представил свой перевод «Ars poëtica» Горация, далее опубликовал, ряд математических и других научных трудов. В 1547 году вышли в свет речь по случаю кончины английского короля Генриху VIII и первый поэтический сборник стихов и переводов Пелетье Œuvres poétiques. Среди переведенных им авторов — Гомер, Вергилий, Марциал и Петрарка; Пелетье включил в сборник также ранее не публиковавшиеся поэмы своих современников — Жоашена Дю Белле и Пьера де Ронсара.

В трактате 1550 года Пелетье выступил за реформу французской орфографии с целью приблизить написание слов к их произношению. Чтобы способствовать этому процессу, Пелетье предложил несколько новых обозначений и активно использовал их в своих дальнейших книгах, однако все усилия по продвижению реформы орфографии остались безуспешными. В 1555 году, кроме новых поэм, выпустил руководство по составлению стихов (Art poétique français) и призыв к мирному завершению войны с императором Священной Римской империей Карлом V.

Последние годы провёл в путешествиях и общении с литераторами (особенно сблизился с Монтенем). В этот период Пелетье опубликовал множество трактатов и учебников по различным областям математики. Завершающий сборник Пелетье, Louanges, появился в 1581 году, в следующем году поэт скончался в Париже.

Где применяется

Миниатюрность настоящих элементов и относительно низкое их энергопотребление, — вкупе с отсутствием движущихся частей или различных жидкостей, применяемых в целях переноса тепла — предоставляет широкий спектр ниш использования. Сюда входят автомобильные кондиционеры, системы охлаждения микросхем и элементов электроники, мини-холодильники, подставки поддерживающие определенную температуру размещенных сверху емкостей. Кроме названых используется оборудование на элементах Пельтье в специфичных сферах, на подобии ПЦР-амплификаторов, нагревающихся систем вспышки фотоаппаратов, телескопах (для снижения теплового шума) и приемниках излучения инфракрасных устройств.

Реже можно заметить настоящий элемент в роли части конструкции генераторов. Хотя на рынках периодически всплывают аппараты аналогичного класса, к примеру, в виде фонариков, работающих от тепла человеческого тела или слабых машин, производящих электрический ток в целях подзарядки аккумуляторов смартфонов или ноутбуков.

Напряжение, получаемое на выходе элементов Пельтье:

Немного истории

Жан-Шарль Пельтье был часовщиком. Жил он в девятнадцатом веке, когда электротехника и физика были на подъеме. Все, кто хотя бы немного понимал, как работают физические законы, старались в домашних условиях делать опыты. Пельтье не стал исключением. В 1834 году он решил провести один опыт, поместив каплю воды между двумя электродами: один был изготовлен из сурьмы, второй из висмута. После чего через электроды пропустил электрический ток.

Каково его было изумления, когда вода превратилась в лед. Ведь то, что под действием электрического тока любые материалы нагревались, было известно. Но чтобы произошел обратный эффект, это была новость. Французский часовщик так и не понял, что изобрел что-то новое, которое оказалось на границе двух областей науки – электричества и термодинамики. В то время для него произошло просто волшебство.

Правда, проблемы охлаждения в те времена мало кого интересовали, поэтому эффект Пельтье так и остался невостребованным. И только через два века, когда в промышленности и быту стали использовать электронные устройства, для которых требовались миниатюрные приборы охлаждения, о Пельтье и его эффекте вспомнили.

Модули Пельтье в ПК: теория и практика

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

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

Немного теории

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

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

Базовая схема устройства ТЭМ

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

Структура термоэлектрического элемента (модуля Пельтье)

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

Плюсы и минусы применения ТЭМ

Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:

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

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

В USB-холодильнике также используется модуль Пельтье

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

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

Модули Пельтье в ПК: практика

Элемент Пельтье размещается между водоблоком и медной «буферной» пластинкой

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

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

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

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

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

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

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

Выводы

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

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

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

Готовые СО на базе ТЭМ

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

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

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

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

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

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

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

XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project

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

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

Первый пуск ТЭМ-чиллера в полевых условиях

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

С одной стороны, полученные результаты действительно впечатляют – подобные температуры при таких нагрузках способны обеспечить разве что чиллеры на основе систем фазового перехода, с другой – а стоит ли овчинка выделки? Чудовищная потребляемая мощность системы, громоздкая СО «горячего» контура, высокая общая стоимость оправдываются лишь концептуальным статусом XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project, на данный момент находящимся в стадии доработки.

Элемент пельтье разница температур

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

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

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

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

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi₂Te₃ и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу – противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

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

Достоинства и недостатки [ править | править код ]

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

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

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

В батареях элементов Пельтье [1] возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Применение [ править | править код ]

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

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

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

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

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

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

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

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

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

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

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

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi₂Te₃ и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу – противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

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

Достоинства и недостатки [ править | править код ]

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

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

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

В батареях элементов Пельтье [1] возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Применение [ править | править код ]

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

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

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

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

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

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

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

Блог технической поддержки моих разработок

Элемент Пельтье это термоэлектрический преобразователь, который создает разность температур на своих поверхностях при протекании электрического тока. Принцип действия основан на эффекте Пельтье – возникновении разности температур в месте контакта проводников под действием электрического тока.

Устройство и принцип действия элемента Пельтье.

Думаю, что только знатоки физики могут понять, как на самом деле работает элемент Пельтье. Для практиков главное, что существует минимальная единица модуля – термопара, представляющая из себя два соединенных проводника p и n типа.

При пропускании через термопару тока, происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n контакте. В результате, участок полупроводника, примыкающий к n-p переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то на оборот, n-p участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

Существует и обратный эффект. При нагревании одной из сторон термопары, вырабатывается электрический ток.

Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Пельтье может достигать 70 °C.

Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны, относительно другой. Т.е. чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

Для увеличения перепада температур, возможно последовательное (каскадное) соединение модулей.

Применение.

Термоэлектрические модули Пельтье применяются:

• в небольших бытовых и автомобильных холодильниках;
• в охладителях воды;
• в системах охлаждения электронных приборов;
• в термоэлектрических генераторах.

Я, используя элемент Пельтье, сделал холодильник для вина.

Достоинства и недостатки модулей Пельтье.

Как-то неправильно сравнивать элементы Пельтье с компрессорными охлаждающими установками. Совсем разные устройства – большая механическая система с компрессором, газом, жидкостью и маленький полупроводниковый компонент. А больше сравнивать не с чем. Поэтому достоинства и недостатки модулей Пельтье весьма условное понятие. Есть области, в которых они не заменимы, а в других случаях их применение совершенно нецелесообразно.

К достоинству элементов Пельтье можно отнести:

• отсутствие механически движущихся частей, газов, жидкостей;
• бесшумная работа;
• небольшие размеры;
• возможность обеспечивать как охлаждение, так и нагревание;
• возможность плавного регулирования мощности охлаждения.

• низкий кпд;
• необходимость в источнике питания;
• ограниченное число старт-стопов ;
• высокая стоимость мощных модулей.

Параметры элементов Пельтье.

• Qmax (Вт) – холодопроизводительность, при максимально-допустимом токе и разности температур между горячей и холодной сторонами равной 0. Считается, что вся тепловая энергия поступающая на холодную поверхность, мгновенно, без потерь передается на горячую.
• Delta Tmax (град) – максимальная разность температур между поверхностями модуля при идеальных условиях: температура горячей стороны – 27 °C и холодная сторона с нулевой отдачей тепла.
• Imax (А) – ток, обеспечивающий перепад температур delta Tmax.
• Umax (В) – напряжение, при токе Imax и разности температур delta Tmax.
• Resistance (Ом) – сопротивление модуля постоянному току.
• COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, отношение мощности охлаждения к электрической мощности, потребляемой модулем. Т.е. подобие кпд. Обычно 0.3-0.5.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

• Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:

• Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
• Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
• При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.

Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.

Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.

Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.

К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.

Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.

Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.

Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.

Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.

Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

Мною был разработан контроллер элемента Пельтье для холодильника, удовлетворяющим всем этим требованиям. Он:

• Вырабатывает питание для элемента Пельтье с пульсациями не более 2%.
• Стабилизирует на модуле электрическую мощность, т.е. произведение тока на напряжение.
• Обеспечивает плавное включение модуля.
• Регулировка температуры происходит по принципу аналогового регулирования, т.е. плавного изменения мощности на элементе пельтье.
• Контроллер разработан для холодильника, поэтому математика регуляторов учитывает инерционность охлаждения воздуха в камере.
• Обеспечивает контроль температуры горячей стороны модуля и управление вентилятором.
• Имеет высокий кпд, широкие функциональные возможности.

Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706.

Это самый распространенный тип элемента Пельтье. Используется во многих бытовых приборах. Не дорогой, с неплохими параметрами. Хороший вариант для изготовления маломощных холодильников, охладителей воды и т.п.

Характеристики модуля TEC1-12706 привожу в переводе на русский из документации TEC1-12706.pdf компании производителя – HB Corporation.

Технические параметры TEC1-12706.

Обозначение	Параметр	Значение, при температуре горячей стороны
25 °C	50 °C
Qmax	Холодопроизводительность	50 Вт	57 Вт
Delta Tmax	Разность температур	66 °C	75 °C
Imax	Максимальный ток	6.4 А	6.4 А
Umax	Максимальное напряжение	14.4 В	16.4 В
Resistance	Сопротивление	1.98 Ом	2.3 Ом

Графические характеристики.

Габаритный чертеж модуля TEC1-12706.

Обозначение	Размер
A	40 мм
B	40 мм
C	3.8 мм

Рекомендации по эксплуатации.

• Максимально – допустимая температура 138 °C.
• Не допустимо превышение значения параметров Imax и Umax.
• Срок службы 200 000 часов.
• Параметр частота отказов основан на длительных испытаниях с выборкой 0.2%.
• Производитель – HB Corporation.

Пример разработки на элементе Пельтье – холодильник для вина.

Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока

В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла.

О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики – термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.

Проблема охлаждения тогда не была такой острой, как сегодня. Поэтому к эффекту Пельтье обратились только спустя почти два столетия, когда появились электронные устройства, для работы которых потребовались миниатюрные системы охлаждения. Достоинством охлаждающих элементов Пельтье являются малые габариты, отсутствие движущихся деталей, возможность каскадного соединения для получения больших перепадов температур.

Кроме этого, эффект Пельтье обратим: при перемене полярности тока через модуль, охлаждение сменяется нагреванием, поэтому на нем легко реализуются системы точного поддержания температуры – термостаты. Недостатком элементов (модулей) Пельтье является низкий КПД, что требует подведения больших значений тока для получения заметного перепада температур. Сложность представляет и отвод тепла от пластины, противоположной охлаждаемой плоскости.

Широкое применение модули на эффекте Пельтье нашли в приборах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Микросхемы с зарядовой связью (ПЗС), которые сегодня применяют и в цифровых фотоаппаратах, требуют глубокого охлаждения для регистрации изображения в инфракрасной области. Модули Пельтье охлаждают инфракрасные детекторы в телескопах, активные элементы лазеров для стабилизации частоты излучения, кварцевые генераторы в системах точного времени. Но это все применения военного и специального назначения.

С недавних пор модули Пельтье нашли применение и в бытовых изделиях. Преимущественно, в автомобильной технике: кондиционеры, переносные холодильники, охладители воды.

Наиболее интересным и перспективным применением модулей является компьютерная техника. Высокопроизводительные микропроцессоры процессоры и чипы видеокарт выделяют большое количество тепла. Для их охлаждения применяют высокоскоростные вентиляторы, которые создают значительные акустические шумы. Применение модулей Пельтье в составе комбинированных систем охлаждения устраняют шум при значительном отборе тепла.

И, наконец, закономерный вопрос: заменят ли модули Пельтье привычные системы охлаждения в компрессионных бытовых холодильниках? На сегодняшний день это невыгодно с точки зрения эффективности (малый КПД) и цены. Стоимость мощных модулей еще достаточно высока.

Но техника и материаловедение не стоят на месте. Исключить возможность появления новых, более дешевых материалов с большим КПД и высоким значением коэффициентом Пельтье нельзя. Уже сегодня появляются сообщения из исследовательских лабораторий об удивительных свойствах наноуглеродных материалов, которые радикально смогут изменить ситуацию с эффективными системами охлаждения.

Появились сообщения о высокой термоэлектрической эффективности кластратов – твердотельных растворов, похожих по строению на гидраты. Когда эти материалы выйдут из исследовательских лабораторий, то совершенно бесшумные холодильники с неограниченным сроком службы заменят наши привычные домашние модели.

P.S. Одной из самых интересных особенностей термоэлектрической технологии является то, что она может не только использовать электрическую энергию для получения тепла и холода, но также благодаря ей можно запустить обратный процесс, и, например, из тепла получить электрическую энергию.

Испытание эффективности охлаждения с эффектом Пельтье

Модуль Пельтье — это твердотельное устройство, которое часто используется для охлаждения. Их можно найти в некоторых портативных холодильниках для перевозки еды на пляж. или в диспенсерах для воды, подобных показанному ниже.

Хотя они полезны для этих целей, они не очень эффективный. Только около 5% электроэнергии используется для питания их привыкает для охлаждения. Я решил провести простой тест на эффективность показано здесь.Я не тестировал модуль напрямую, а вместо этого тестировал насколько эффективно он может охлаждать 250 мл воды.

Модуль Пельтье для охлаждения.

Диспенсер для воды из модуля слева.

Обратите внимание, что есть два типа модулей Пельтье, рассчитанных на два Различное назначение: ТЭЦ и ТЭГ.TEC означает термоэлектрический охладитель, и это тип, используемый здесь на этой странице. TEG означает Термоэлектрический генератор и превращает разницу температур в электричество.

Ниже показана внутренняя часть дозатора воды сзади, а также детали, которые я взял из него для этого тестирования.

Внутри диспенсера для воды.

Детали от дозатора воды.

Как показано ниже, модуль Пельтье застрял в задней части теплообменника. раковина с термопастой. Вентилятор был прикреплен к другой стороне радиатор для всасывания воздуха через ребра радиатора, отводящего тепло прочь с этим. Все это было поставлено на банки, чтобы было комната внизу, чтобы воздух мог выходить прочь.

Вы также можете увидеть, что термопара была вставлена ​​в отдельный емкость с теплой водой.Это произошло потому, что плата управления отключите модуль Пельтье, если вода на термопаре была подходящая температура для диспенсера воды. Поскольку мне было наплевать насчет поддержания этой температуры, я обманул его, посидив в вода, температура которой никогда не изменится. В результате По этой причине плата управления не отключила бы модуль Пельтье.

Запуск тестовой установки.

Как показано ниже, я поставил квадратный кусок алюминия на Пельтье. модуль к более эффективно отводить тепло от банки, которая бы сидела сверху его, на всю поверхность модуля.Затем я поставил банку содовой на что. Верхняя часть банки была открыта, а дно сплющено. насколько это возможно. Затем по всему периметру была добавлена ​​изоляция. Я хотел получать тепло от воды в банке, а не от окружающего воздуха. Залил внутрь 250 мл воды. Затем внутрь был вставлен термометр, который мог измерять низкие температуры. И, наконец, отверстие в верхней части банки был покрыт еще утеплителем.

Нанесение алюминиевого кв.

Надевание банки.

Добавление изоляции.

Заливка водой.

Вставка термометра.

Изоляция верха.

Осциллограф был подключен параллельно электрическому выходу. платы управления, идущей к модулю Пельтье. Амперметр был подключен последовательно с положительными проводами, идущими от блока управления платы к модулю Пельтье. Схема была включена с помощью переключатель включения / выключения и начальная температура воды была записана. Напряжение и ток имели начальный скачок длительностью несколько секунд, а затем поселился.Затем их значения были записаны.

Полная настройка. Запись измерений.

Через час значения были записаны снова. Ценности также были просмотрел в течение часа, но не записал. Напряжение и ток постепенно снижалась в течение часа, как и температура.

Расчет эффективности охлаждения Пельтье

250 мл воды (0.55 фунтов)

Время	Температура Цельсия	Температура по Фаренгейту	Напряжение	Текущий
15:55	18C	64.4F	13,1 В	3.8A
16:56	14,5C	58.1F	12,8 В	3.66A

входная мощность = 13.1 В * 3,8 А = 49,8 Вт = 49,8 Дж / сек

подводимая энергия = 49,8 джоулей / сек * 3600 сек = 179 280 джоулей

изменение температуры = 64,4 F — 58,1 F = 6,3 F

БТЕ, используемые для охлаждения = 0,55 фунта * 6,3F * 1 БТЕ / фунт-сила = 3,465 БТЕ

энергия, используемая для охлаждения = 3,465 БТЕ * 1055 джоулей / БТЕ = 3655,58 джоулей

КПД = 3655,58 / 179 280 = 0,02039 = 2%

Это примерно то, что ожидалось.Модули Пельтье есть только около Эффективность 5%. Это означает, что было около 3% дополнительных потерь.

Видео — Охлаждение модуля Пельтье — Эффект Пельтье

На следующем видео показано, как взять модуль Пельтье из вышеперечисленного. диспенсер для воды и выполнение этого теста эффективности охлаждения Пельтье. Это имеет дополнительную функцию отображения небольшого количества воды заморозить, сидя на модуле Пельтье всего на несколько минут.

Эффективность элемента Пельтье

Эффективность применения элемента Пельтье зависит от коэффициента полезного действия (COP), который зависит от рабочей точки, тепловой конструкции и типа питания контроллера TEC.Все три пункта обсуждаются в этой статье. Контроллеры
TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока.

TEC Controller Обзор продукта

Для достижения максимальной эффективности при охлаждении с использованием элементов Пельтье существуют три золотых правила.

1. I / I _max когда dT
   I / I _max должен быть в нижней трети (0-0.33 x I _макс. )
2. I / I _max при dT> 25 K
   I / I _max должен быть в средней трети (0,33 — 0,66 x I _max )
3. Максимально охладите горячую сторону при охлаждении (радиатор, вентилятор …)

Коэффициент полезного действия (COP)

Эффективность самого элемента Пельтье определяется значением COP = Q _C / P _el . Подробнее об определении COP здесь.

Зависимость COP от текущего отношения элемента Пельтье для различных dT.

Оптимальная рабочая точка элемента Пельтье — это максимальное значение COP. Максимальный КПД сильно зависит от разницы температур (dT) между теплой и холодной стороной. Как можно видеть, максимум COP смещается в сторону более высоких токов при увеличении dT. Ток не должен превышать 0,7 I _max , потому что тогда COP становится слишком маленьким — элемент Пельтье очень неэффективен.

Тепловой расчет

Thermal Design имеет решающее значение, поскольку позволяет пользователю напрямую влиять на эффективность и производительность системы. Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:

1. Уменьшение dT — оптимизация радиатора и вентилятора
2. Минимизируйте потери мощности — изолируйте охлаждаемую область
3. Оптимизация COP — Выберите элемент Пельтье соответствующей мощности

1. Разница температур (dT) между холодной и теплой стороной должна быть минимизирована.Небольшой dT приведет к смещению максимума COP, как это видно на диаграмме 5, вправо, что означает необходимость меньшего тока. Тепло, которое должно рассеиваться на теплой стороне, складывается следующим образом: Q _h = Q _C + P _el .

Следующая схема представляет систему охлаждения и соответствующую диаграмму температуры справа. Объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье. Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C.Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C. Таким образом, теплоотвод рассеивает 10 ° C, поэтому новое значение dT составляет 30 К.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма

2. Часто бывает полезно изолировать охлаждаемый объект и все другие охлаждаемые поверхности. Таким образом, температура окружающей среды оказывает меньшее влияние на элемент Пельтье, и в систему поступает меньше тепла окружающей среды.Это снижает общую рассеиваемую мощность, что приводит к меньшей входной мощности элемента Пельтье и, следовательно, лучшему COP.

3. Оптимизировать COP следует за счет использования достаточной мощности элемента Пельтье. Это необходимо, потому что максимальное значение COP соответствует низкому току, и помехи могут быть поглощены. Если мощность элементов Пельтье слишком мала, возможно создание нагревателя.

В качестве примера: если dT составляет 30 K, вы можете увидеть на диаграмме зависимости COP от текущего, что максимальное значение COP при I = 0.3 * I _макс . На диаграмме Heat Pumped Vs Current мы получаем со значениями dT = 30 K и I = 0,3 * I _max , Q _c / Q _max равным 20%. Для охлаждения мощностью 10 Вт элемент Пельтье должен иметь мощность 50 Вт.

DC против PWM (Тип источника питания TEC)

В следующей главе обсуждаются преимущества постоянного тока (DC) и недостатки ШИМ в качестве режимов питания для управления элементами Пельтье с контроллерами ТЕС. Термоэлектрические охладители работают за счет эффекта Пельтье и перекачивают тепло от одной стороны к другой.Для поддержания направления теплового потока требуется постоянный ток.

Во многих контроллерах ТЕС ШИМ используется для управления элементами Пельтье. В целом это означает упрощенное аппаратное и логическое управление выходом. Для высоких частот ток ШИМ можно рассматривать как постоянный ток того же значения амплитуды. Однако модули ТЕС, управляемые ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения ТЕС, управляемые постоянным током. Прямое управление ТЕС с ШИМ делает схему более подверженной помехам, может привести к высоким переходным напряжениям и, как правило, менее эффективно.

Другая проблема заключается в том, что ШИМ может вызывать электромагнитные помехи (EMI) в проводке к устройству ТЕС. Этот эффект может нарушить работу измерительных систем или камер, например при использовании для охлаждения ПЗС-сенсоров.

Рекомендации производителей

Производители элементов Пельтье предлагают использовать постоянный ток и ограничение пульсаций тока для регулирования выходного тока. Они категорически не рекомендуют использовать прямое ШИМ-управление элементами Пельтье:

• Ferrotec: «Тем не менее, мы рекомендуем ограничивать пульсации источника питания максимум до 10 процентов с предпочтительным значением <5%.«
• RMT: «ТЕС [элементы Пельтье], управляемые ШИМ, работают менее эффективно, чем при постоянном токе. ШИМ-управление всегда менее эффективно, чем работа ТЕС при том же среднем постоянном токе и потребляемой мощности».
• Marlow: «Термоэлектрические охладители требуют плавного постоянного тока для оптимальной работы. Коэффициент пульсации менее 10% приведет к снижению ∆T менее чем на 1%. […] Marlow не рекомендует управление ВКЛ / ВЫКЛ».

Сравнение двух контроллеров ТЕС

Мы сравнили контроллер TEC Meerstetter Engineering с постоянным током (случай 1) с контроллером PWM TEC (случай 2) от другого производителя, чтобы подчеркнуть разницу между термоэлектрическими системами охлаждения с питанием от постоянного тока и системами, использующими ШИМ.Цель состоит в том, чтобы сравнить общую энергоэффективность.
Оба контроллера выполняют одну и ту же задачу, но с точки зрения эффективности разница весьма разительна.

Установка состоит из следующих компонентов:

• Блок питания для контроллера ТЕС
• Контроллер ТЕС
• Охлаждаемый объект (нагрузка 1 Вт)
• Элемент Пельтье
• Радиатор
• Вентилятор для охлаждения радиатора

В качестве целевой температуры для нагрузки мощностью 1 Вт в качестве охлаждаемого объекта мы выбрали в обоих случаях 10 ° C при температуре окружающей среды 24.5 ° С.

Результаты представлены на следующей иллюстрации и обсуждаются ниже.

Сравнение двух контроллеров ТЕС

Замечательные отличия и наблюдения:

• Мощность, необходимая для охлаждения объекта до 10 ° C, была в 2 раза больше, чем в шесть раз (56 Вт против 9 Вт)
• Температура радиатора в корпусе 2 была на 5 ° C выше. Это может привести к повышению температуры термоэлектрической системы охлаждения, особенно когда она заключена в корпус.
• Повышение температуры радиатора на 5 K также приводит к более высокому dT элемента Пельтье:
  dT = T _HS — T _O = T _amb + ΔT _HS — T _O
• Другими словами, общее количество тепла, рассеиваемого системой с помощью ШИМ-контроллера, более чем в 4 раза больше. Следовательно, это приводит к необходимости гораздо большего радиатора для корпуса 2.
• Более эффективная система позволяет также использовать более мелкие компоненты, такие как блок питания, радиатор и т. Д.

Линейные и SMPS контроллеры TEC

Существует два обычно используемых способа генерации постоянного тока для управления ТЕС. Один способ — использовать линейный источник питания, а другой — SMPS.

Линейные контроллеры ТЕС обеспечивают постоянный ток, обеспечивая оптимальную работу ТЕС. Однако сами по себе они очень неэффективны и генерируют большие тепловые потери.

SMPS Контроллеры ТЕС также управляют ТЕС постоянным током, но они намного более эффективны, что приводит к значительно меньшим тепловым потерям.

Контроллеры

SMPS TEC имеют высокий КПД (> 90%), электроника генерирует мало потерь.

Эффективность элемента Пельтье

Эффективность применения элемента Пельтье зависит от коэффициента полезного действия (COP), который зависит от рабочей точки, тепловой конструкции и типа питания контроллера TEC. Все три пункта обсуждаются в этой статье. Контроллеры
TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье.Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока.

TEC Controller Обзор продукта

Для достижения максимальной эффективности при охлаждении с использованием элементов Пельтье существуют три золотых правила.

1. I / I _max когда dT
   I / I _max должен быть в нижней трети (0 — 0,33 x I _max )
2. I / I _max , когда dT> 25 K
   I / I _max должен быть в средней трети (0.33 — 0,66 x I _макс )
3. Максимально охладите горячую сторону при охлаждении (радиатор, вентилятор …)

Коэффициент полезного действия (COP)

Эффективность самого элемента Пельтье определяется значением COP = Q _C / P _el . Подробнее об определении COP здесь.

Зависимость COP от текущего отношения элемента Пельтье для различных dT.

Оптимальная рабочая точка элемента Пельтье — это максимальное значение COP.Максимальный КПД сильно зависит от разницы температур (dT) между теплой и холодной стороной. Как можно видеть, максимум COP смещается в сторону более высоких токов при увеличении dT. Ток не должен превышать 0,7 I _max , потому что тогда COP становится слишком маленьким — элемент Пельтье очень неэффективен.

Тепловой расчет

Thermal Design имеет решающее значение, поскольку позволяет пользователю напрямую влиять на эффективность и производительность системы.Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:

1. Уменьшение dT — оптимизация радиатора и вентилятора
2. Минимизируйте потери мощности — изолируйте охлаждаемую область
3. Оптимизация COP — Выберите элемент Пельтье соответствующей мощности

1. Разница температур (dT) между холодной и теплой стороной должна быть минимизирована. Небольшой dT приведет к смещению максимума COP, как это видно на диаграмме 5, вправо, что означает необходимость меньшего тока.Тепло, которое должно рассеиваться на теплой стороне, складывается следующим образом: Q _h = Q _C + P _el .

Следующая схема представляет систему охлаждения и соответствующую диаграмму температуры справа. Объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье. Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C. Таким образом, радиатор рассеивает 10 ° C, поэтому новое значение dT составляет 30 К.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма

2. Часто бывает полезно изолировать охлаждаемый объект и все другие охлаждаемые поверхности. Таким образом, температура окружающей среды оказывает меньшее влияние на элемент Пельтье, и в систему поступает меньше тепла окружающей среды. Это снижает общую рассеиваемую мощность, что приводит к меньшей входной мощности элемента Пельтье и, следовательно, лучшему COP.

3. Оптимизировать COP следует за счет использования достаточной мощности элемента Пельтье. Это необходимо, потому что максимальное значение COP соответствует низкому току, и помехи могут быть поглощены. Если мощность элементов Пельтье слишком мала, возможно создание нагревателя.

В качестве примера: если dT составляет 30 K, вы можете увидеть на диаграмме зависимости COP от тока, максимальное значение COP при I = 0,3 * I _max . На диаграмме Heat Pumped Vs Current мы получаем со значениями dT = 30 K и I = 0,3 * I _max , Q _c / Q _max равным 20%.Для охлаждения мощностью 10 Вт элемент Пельтье должен иметь мощность 50 Вт.

DC против PWM (Тип источника питания TEC)

В следующей главе обсуждаются преимущества постоянного тока (DC) и недостатки ШИМ в качестве режимов питания для управления элементами Пельтье с контроллерами ТЕС. Термоэлектрические охладители работают за счет эффекта Пельтье и перекачивают тепло от одной стороны к другой. Для поддержания направления теплового потока требуется постоянный ток.

Во многих контроллерах ТЕС ШИМ используется для управления элементами Пельтье.В общем, это означает упрощенное оборудование и логическое управление выходом. Для высоких частот ток ШИМ можно рассматривать как постоянный ток того же значения амплитуды. Однако модули ТЕС, управляемые ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения ТЕС, управляемые постоянным током. Прямое управление ТЕС с ШИМ делает схему более подверженной помехам, может привести к высоким переходным напряжениям и, как правило, менее эффективно.

Другая проблема заключается в том, что ШИМ может вызывать электромагнитные помехи (EMI) в проводке к устройству ТЕС.Этот эффект может нарушить работу измерительных систем или камер, например при использовании для охлаждения ПЗС-сенсоров.

Рекомендации производителей

Производители элементов Пельтье предлагают использовать постоянный ток и ограничение пульсаций тока для регулирования выходного тока. Они категорически не рекомендуют использовать прямое ШИМ-управление элементами Пельтье:

• Ferrotec: «Тем не менее, мы рекомендуем ограничивать пульсации источника питания максимум до 10 процентов с предпочтительным значением <5%.«
• RMT: «ТЕС [элементы Пельтье], управляемые ШИМ, работают менее эффективно, чем при постоянном токе. ШИМ-управление всегда менее эффективно, чем работа ТЕС при том же среднем постоянном токе и потребляемой мощности».
• Marlow: «Термоэлектрические охладители требуют плавного постоянного тока для оптимальной работы. Коэффициент пульсации менее 10% приведет к снижению ∆T менее чем на 1%. […] Marlow не рекомендует управление ВКЛ / ВЫКЛ».

Сравнение двух контроллеров ТЕС

Мы сравнили контроллер TEC Meerstetter Engineering с постоянным током (случай 1) с контроллером PWM TEC (случай 2) от другого производителя, чтобы подчеркнуть разницу между термоэлектрическими системами охлаждения с питанием от постоянного тока и системами, использующими ШИМ.Цель состоит в том, чтобы сравнить общую энергоэффективность.
Оба контроллера выполняют одну и ту же задачу, но с точки зрения эффективности разница весьма разительна.

Установка состоит из следующих компонентов:

• Блок питания для контроллера ТЕС
• Контроллер ТЕС
• Охлаждаемый объект (нагрузка 1 Вт)
• Элемент Пельтье
• Радиатор
• Вентилятор для охлаждения радиатора

В качестве целевой температуры для нагрузки мощностью 1 Вт в качестве охлаждаемого объекта мы выбрали в обоих случаях 10 ° C при температуре окружающей среды 24.5 ° С.

Результаты представлены на следующей иллюстрации и обсуждаются ниже.

Сравнение двух контроллеров ТЕС

Замечательные отличия и наблюдения:

• Мощность, необходимая для охлаждения объекта до 10 ° C, была в 2 раза больше, чем в шесть раз (56 Вт против 9 Вт)
• Температура радиатора в корпусе 2 была на 5 ° C выше. Это может привести к повышению температуры термоэлектрической системы охлаждения, особенно когда она заключена в корпус.
• Повышение температуры радиатора на 5 K также приводит к более высокому dT элемента Пельтье:
  dT = T _HS — T _O = T _amb + ΔT _HS — T _O
• Другими словами, общее количество тепла, рассеиваемого системой с помощью ШИМ-контроллера, более чем в 4 раза больше. Следовательно, это приводит к необходимости гораздо большего радиатора для корпуса 2.
• Более эффективная система позволяет также использовать более мелкие компоненты, такие как блок питания, радиатор и т. Д.

Линейные и SMPS контроллеры TEC

Существует два обычно используемых способа генерации постоянного тока для управления ТЕС. Один способ — использовать линейный источник питания, а другой — SMPS.

Линейные контроллеры ТЕС обеспечивают постоянный ток, обеспечивая оптимальную работу ТЕС. Однако сами по себе они очень неэффективны и генерируют большие тепловые потери.

SMPS Контроллеры ТЕС также управляют ТЕС постоянным током, но они намного более эффективны, что приводит к значительно меньшим тепловым потерям.

Контроллеры

SMPS TEC имеют высокий КПД (> 90%), электроника генерирует мало потерь.

Эффективность элемента Пельтье

Эффективность применения элемента Пельтье зависит от коэффициента полезного действия (COP), который зависит от рабочей точки, тепловой конструкции и типа питания контроллера TEC. Все три пункта обсуждаются в этой статье. Контроллеры
TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье.Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока.

TEC Controller Обзор продукта

Для достижения максимальной эффективности при охлаждении с использованием элементов Пельтье существуют три золотых правила.

1. I / I _max когда dT
   I / I _max должен быть в нижней трети (0 — 0,33 x I _max )
2. I / I _max , когда dT> 25 K
   I / I _max должен быть в средней трети (0.33 — 0,66 x I _макс )
3. Максимально охладите горячую сторону при охлаждении (радиатор, вентилятор …)

Коэффициент полезного действия (COP)

Эффективность самого элемента Пельтье определяется значением COP = Q _C / P _el . Подробнее об определении COP здесь.

Зависимость COP от текущего отношения элемента Пельтье для различных dT.

Оптимальная рабочая точка элемента Пельтье — это максимальное значение COP.Максимальный КПД сильно зависит от разницы температур (dT) между теплой и холодной стороной. Как можно видеть, максимум COP смещается в сторону более высоких токов при увеличении dT. Ток не должен превышать 0,7 I _max , потому что тогда COP становится слишком маленьким — элемент Пельтье очень неэффективен.

Тепловой расчет

Thermal Design имеет решающее значение, поскольку позволяет пользователю напрямую влиять на эффективность и производительность системы.Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:

1. Уменьшение dT — оптимизация радиатора и вентилятора
2. Минимизируйте потери мощности — изолируйте охлаждаемую область
3. Оптимизация COP — Выберите элемент Пельтье соответствующей мощности

1. Разница температур (dT) между холодной и теплой стороной должна быть минимизирована. Небольшой dT приведет к смещению максимума COP, как это видно на диаграмме 5, вправо, что означает необходимость меньшего тока.Тепло, которое должно рассеиваться на теплой стороне, складывается следующим образом: Q _h = Q _C + P _el .

Следующая схема представляет систему охлаждения и соответствующую диаграмму температуры справа. Объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье. Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C. Таким образом, радиатор рассеивает 10 ° C, поэтому новое значение dT составляет 30 К.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма

2. Часто бывает полезно изолировать охлаждаемый объект и все другие охлаждаемые поверхности. Таким образом, температура окружающей среды оказывает меньшее влияние на элемент Пельтье, и в систему поступает меньше тепла окружающей среды. Это снижает общую рассеиваемую мощность, что приводит к меньшей входной мощности элемента Пельтье и, следовательно, лучшему COP.

3. Оптимизировать COP следует за счет использования достаточной мощности элемента Пельтье. Это необходимо, потому что максимальное значение COP соответствует низкому току, и помехи могут быть поглощены. Если мощность элементов Пельтье слишком мала, возможно создание нагревателя.

В качестве примера: если dT составляет 30 K, вы можете увидеть на диаграмме зависимости COP от тока, максимальное значение COP при I = 0,3 * I _max . На диаграмме Heat Pumped Vs Current мы получаем со значениями dT = 30 K и I = 0,3 * I _max , Q _c / Q _max равным 20%.Для охлаждения мощностью 10 Вт элемент Пельтье должен иметь мощность 50 Вт.

DC против PWM (Тип источника питания TEC)

В следующей главе обсуждаются преимущества постоянного тока (DC) и недостатки ШИМ в качестве режимов питания для управления элементами Пельтье с контроллерами ТЕС. Термоэлектрические охладители работают за счет эффекта Пельтье и перекачивают тепло от одной стороны к другой. Для поддержания направления теплового потока требуется постоянный ток.

Во многих контроллерах ТЕС ШИМ используется для управления элементами Пельтье.В общем, это означает упрощенное оборудование и логическое управление выходом. Для высоких частот ток ШИМ можно рассматривать как постоянный ток того же значения амплитуды. Однако модули ТЕС, управляемые ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения ТЕС, управляемые постоянным током. Прямое управление ТЕС с ШИМ делает схему более подверженной помехам, может привести к высоким переходным напряжениям и, как правило, менее эффективно.

Другая проблема заключается в том, что ШИМ может вызывать электромагнитные помехи (EMI) в проводке к устройству ТЕС.Этот эффект может нарушить работу измерительных систем или камер, например при использовании для охлаждения ПЗС-сенсоров.

Рекомендации производителей

Производители элементов Пельтье предлагают использовать постоянный ток и ограничение пульсаций тока для регулирования выходного тока. Они категорически не рекомендуют использовать прямое ШИМ-управление элементами Пельтье:

• Ferrotec: «Тем не менее, мы рекомендуем ограничивать пульсации источника питания максимум до 10 процентов с предпочтительным значением <5%.«
• RMT: «ТЕС [элементы Пельтье], управляемые ШИМ, работают менее эффективно, чем при постоянном токе. ШИМ-управление всегда менее эффективно, чем работа ТЕС при том же среднем постоянном токе и потребляемой мощности».
• Marlow: «Термоэлектрические охладители требуют плавного постоянного тока для оптимальной работы. Коэффициент пульсации менее 10% приведет к снижению ∆T менее чем на 1%. […] Marlow не рекомендует управление ВКЛ / ВЫКЛ».

Сравнение двух контроллеров ТЕС

Мы сравнили контроллер TEC Meerstetter Engineering с постоянным током (случай 1) с контроллером PWM TEC (случай 2) от другого производителя, чтобы подчеркнуть разницу между термоэлектрическими системами охлаждения с питанием от постоянного тока и системами, использующими ШИМ.Цель состоит в том, чтобы сравнить общую энергоэффективность.
Оба контроллера выполняют одну и ту же задачу, но с точки зрения эффективности разница весьма разительна.

Установка состоит из следующих компонентов:

• Блок питания для контроллера ТЕС
• Контроллер ТЕС
• Охлаждаемый объект (нагрузка 1 Вт)
• Элемент Пельтье
• Радиатор
• Вентилятор для охлаждения радиатора

В качестве целевой температуры для нагрузки мощностью 1 Вт в качестве охлаждаемого объекта мы выбрали в обоих случаях 10 ° C при температуре окружающей среды 24.5 ° С.

Результаты представлены на следующей иллюстрации и обсуждаются ниже.

Сравнение двух контроллеров ТЕС

Замечательные отличия и наблюдения:

• Мощность, необходимая для охлаждения объекта до 10 ° C, была в 2 раза больше, чем в шесть раз (56 Вт против 9 Вт)
• Температура радиатора в корпусе 2 была на 5 ° C выше. Это может привести к повышению температуры термоэлектрической системы охлаждения, особенно когда она заключена в корпус.
• Повышение температуры радиатора на 5 K также приводит к более высокому dT элемента Пельтье:
  dT = T _HS — T _O = T _amb + ΔT _HS — T _O
• Другими словами, общее количество тепла, рассеиваемого системой с помощью ШИМ-контроллера, более чем в 4 раза больше. Следовательно, это приводит к необходимости гораздо большего радиатора для корпуса 2.
• Более эффективная система позволяет также использовать более мелкие компоненты, такие как блок питания, радиатор и т. Д.

Линейные и SMPS контроллеры TEC

Существует два обычно используемых способа генерации постоянного тока для управления ТЕС. Один способ — использовать линейный источник питания, а другой — SMPS.

Линейные контроллеры ТЕС обеспечивают постоянный ток, обеспечивая оптимальную работу ТЕС. Однако сами по себе они очень неэффективны и генерируют большие тепловые потери.

SMPS Контроллеры ТЕС также управляют ТЕС постоянным током, но они намного более эффективны, что приводит к значительно меньшим тепловым потерям.

Контроллеры

SMPS TEC имеют высокий КПД (> 90%), электроника генерирует мало потерь.

Эффективность элемента Пельтье

Эффективность применения элемента Пельтье зависит от коэффициента полезного действия (COP), который зависит от рабочей точки, тепловой конструкции и типа питания контроллера TEC. Все три пункта обсуждаются в этой статье. Контроллеры
TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье.Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока.

TEC Controller Обзор продукта

Для достижения максимальной эффективности при охлаждении с использованием элементов Пельтье существуют три золотых правила.

1. I / I _max когда dT
   I / I _max должен быть в нижней трети (0 — 0,33 x I _max )
2. I / I _max , когда dT> 25 K
   I / I _max должен быть в средней трети (0.33 — 0,66 x I _макс )
3. Максимально охладите горячую сторону при охлаждении (радиатор, вентилятор …)

Коэффициент полезного действия (COP)

Эффективность самого элемента Пельтье определяется значением COP = Q _C / P _el . Подробнее об определении COP здесь.

Зависимость COP от текущего отношения элемента Пельтье для различных dT.

Оптимальная рабочая точка элемента Пельтье — это максимальное значение COP.Максимальный КПД сильно зависит от разницы температур (dT) между теплой и холодной стороной. Как можно видеть, максимум COP смещается в сторону более высоких токов при увеличении dT. Ток не должен превышать 0,7 I _max , потому что тогда COP становится слишком маленьким — элемент Пельтье очень неэффективен.

Тепловой расчет

Thermal Design имеет решающее значение, поскольку позволяет пользователю напрямую влиять на эффективность и производительность системы.Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:

1. Уменьшение dT — оптимизация радиатора и вентилятора
2. Минимизируйте потери мощности — изолируйте охлаждаемую область
3. Оптимизация COP — Выберите элемент Пельтье соответствующей мощности

1. Разница температур (dT) между холодной и теплой стороной должна быть минимизирована. Небольшой dT приведет к смещению максимума COP, как это видно на диаграмме 5, вправо, что означает необходимость меньшего тока.Тепло, которое должно рассеиваться на теплой стороне, складывается следующим образом: Q _h = Q _C + P _el .

Следующая схема представляет систему охлаждения и соответствующую диаграмму температуры справа. Объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье. Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C. Таким образом, радиатор рассеивает 10 ° C, поэтому новое значение dT составляет 30 К.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма

2. Часто бывает полезно изолировать охлаждаемый объект и все другие охлаждаемые поверхности. Таким образом, температура окружающей среды оказывает меньшее влияние на элемент Пельтье, и в систему поступает меньше тепла окружающей среды. Это снижает общую рассеиваемую мощность, что приводит к меньшей входной мощности элемента Пельтье и, следовательно, лучшему COP.

3. Оптимизировать COP следует за счет использования достаточной мощности элемента Пельтье. Это необходимо, потому что максимальное значение COP соответствует низкому току, и помехи могут быть поглощены. Если мощность элементов Пельтье слишком мала, возможно создание нагревателя.

В качестве примера: если dT составляет 30 K, вы можете увидеть на диаграмме зависимости COP от тока, максимальное значение COP при I = 0,3 * I _max . На диаграмме Heat Pumped Vs Current мы получаем со значениями dT = 30 K и I = 0,3 * I _max , Q _c / Q _max равным 20%.Для охлаждения мощностью 10 Вт элемент Пельтье должен иметь мощность 50 Вт.

DC против PWM (Тип источника питания TEC)

В следующей главе обсуждаются преимущества постоянного тока (DC) и недостатки ШИМ в качестве режимов питания для управления элементами Пельтье с контроллерами ТЕС. Термоэлектрические охладители работают за счет эффекта Пельтье и перекачивают тепло от одной стороны к другой. Для поддержания направления теплового потока требуется постоянный ток.

Во многих контроллерах ТЕС ШИМ используется для управления элементами Пельтье.В общем, это означает упрощенное оборудование и логическое управление выходом. Для высоких частот ток ШИМ можно рассматривать как постоянный ток того же значения амплитуды. Однако модули ТЕС, управляемые ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения ТЕС, управляемые постоянным током. Прямое управление ТЕС с ШИМ делает схему более подверженной помехам, может привести к высоким переходным напряжениям и, как правило, менее эффективно.

Другая проблема заключается в том, что ШИМ может вызывать электромагнитные помехи (EMI) в проводке к устройству ТЕС.Этот эффект может нарушить работу измерительных систем или камер, например при использовании для охлаждения ПЗС-сенсоров.

Рекомендации производителей

Производители элементов Пельтье предлагают использовать постоянный ток и ограничение пульсаций тока для регулирования выходного тока. Они категорически не рекомендуют использовать прямое ШИМ-управление элементами Пельтье:

• Ferrotec: «Тем не менее, мы рекомендуем ограничивать пульсации источника питания максимум до 10 процентов с предпочтительным значением <5%.«
• RMT: «ТЕС [элементы Пельтье], управляемые ШИМ, работают менее эффективно, чем при постоянном токе. ШИМ-управление всегда менее эффективно, чем работа ТЕС при том же среднем постоянном токе и потребляемой мощности».
• Marlow: «Термоэлектрические охладители требуют плавного постоянного тока для оптимальной работы. Коэффициент пульсации менее 10% приведет к снижению ∆T менее чем на 1%. […] Marlow не рекомендует управление ВКЛ / ВЫКЛ».

Сравнение двух контроллеров ТЕС

Мы сравнили контроллер TEC Meerstetter Engineering с постоянным током (случай 1) с контроллером PWM TEC (случай 2) от другого производителя, чтобы подчеркнуть разницу между термоэлектрическими системами охлаждения с питанием от постоянного тока и системами, использующими ШИМ.Цель состоит в том, чтобы сравнить общую энергоэффективность.
Оба контроллера выполняют одну и ту же задачу, но с точки зрения эффективности разница весьма разительна.

Установка состоит из следующих компонентов:

• Блок питания для контроллера ТЕС
• Контроллер ТЕС
• Охлаждаемый объект (нагрузка 1 Вт)
• Элемент Пельтье
• Радиатор
• Вентилятор для охлаждения радиатора

В качестве целевой температуры для нагрузки мощностью 1 Вт в качестве охлаждаемого объекта мы выбрали в обоих случаях 10 ° C при температуре окружающей среды 24.5 ° С.

Результаты представлены на следующей иллюстрации и обсуждаются ниже.

Сравнение двух контроллеров ТЕС

Замечательные отличия и наблюдения:

• Мощность, необходимая для охлаждения объекта до 10 ° C, была в 2 раза больше, чем в шесть раз (56 Вт против 9 Вт)
• Температура радиатора в корпусе 2 была на 5 ° C выше. Это может привести к повышению температуры термоэлектрической системы охлаждения, особенно когда она заключена в корпус.
• Повышение температуры радиатора на 5 K также приводит к более высокому dT элемента Пельтье:
  dT = T _HS — T _O = T _amb + ΔT _HS — T _O
• Другими словами, общее количество тепла, рассеиваемого системой с помощью ШИМ-контроллера, более чем в 4 раза больше. Следовательно, это приводит к необходимости гораздо большего радиатора для корпуса 2.
• Более эффективная система позволяет также использовать более мелкие компоненты, такие как блок питания, радиатор и т. Д.

Линейные и SMPS контроллеры TEC

Существует два обычно используемых способа генерации постоянного тока для управления ТЕС. Один способ — использовать линейный источник питания, а другой — SMPS.

Линейные контроллеры ТЕС обеспечивают постоянный ток, обеспечивая оптимальную работу ТЕС. Однако сами по себе они очень неэффективны и генерируют большие тепловые потери.

SMPS Контроллеры ТЕС также управляют ТЕС постоянным током, но они намного более эффективны, что приводит к значительно меньшим тепловым потерям.

Контроллеры

SMPS TEC имеют высокий КПД (> 90%), электроника генерирует мало потерь.

термодинамика — что более эффективно: складывать два модуля Пельтье или ставить их бок о бок?

Термоэлектрические охладители (ТЕС) ужасающе неэффективны (сейчас немного лучше, чем десять лет назад, но не намного). Кусок инертного материала охладить проще всего. Охлаждение и контроль температуры активного устройства рассеивания мощности сложнее.Гораздо сложнее.

Пример: во времена бума оптических телекоммуникаций я работал над упаковкой оптического коммутационного устройства. Все основные разработчики были в восторге, потому что они разработали проект, в котором активный оптический материал и схемы высокочастотного возбуждения были интегрированы на небольшую подложку, возможно, квадратный сантиметр или около того. Я спросил спецификации о том, насколько холодно и сколько мощности потребуется схемам, и они сказали, что это всего 10 Вт, и это не обязательно должно быть так холодно, просто контролируемое.

Что ж, коммерчески доступные ТИК в то время были эффективны примерно на 10%. Таким образом, для откачки 10 Вт от подложки требуется 100 Вт мощности для ТЭО. Это, в свою очередь, означало, что на радиатор приходилось 110 Вт при комнатной температуре. Это означало примерно 4 «x4» TEC и огромный гудящий радиатор 6 «x6» с гигантским вентилятором. Итак, это красивое, тесно интегрированное устройство означало гигантскую упаковку.

Что это значит для вас? Ну, вы складываете ТЕС, чтобы холодный объект был холоднее. Но это приводит к большому штрафу за то, сколько энергии может расходовать ваш «холодный» объект.Эта первая стадия эффективна только на 10%. Размер второй ступени должен быть таким, чтобы вся мощность устройства И первого ТЭО могла быть прокачана через нее, и опять же с КПД всего 10%. Ой. В приведенном выше случае вторая ступень должна была перекачивать 110 Вт, поэтому для ее накачки потребовалось бы около 1100 Вт, что означает 1210 Вт в целом. Ваша эффективность идет к черту со сложенными ТИК — каждый дополнительный этап должен неэффективно накачивать неэффективность всех предыдущих этапов.

Если вы хотите быть максимально эффективным, используйте одноступенчатый.Это ограничит вашу предельную температуру, но потребляет максимальную мощность от охлаждаемого устройства. Если вы хотите максимально низкую температуру, сложите свои ТЕС, но помните, что максимальная мощность, которую вы можете рассеять, упадет, как камень.

Высокопроизводительные модули Пельтье (TEC)

CP602040395H 20 х 40 х 3.95 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP402533 25 х 25 х 3.3 мм, 4,0 A, вход с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP603315H 30 х 30 х 3.15 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP103033 30 х 30 х 3.3 мм, вход 10,0 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP393365H 30 х 30 х 3.65 мм, вход 3,9 A с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Просмотреть сейчас

CP70337 30 х 30 х 3.8 мм, вход 7,0 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP6030395 30 х 30 х 3.95 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP603395H 30 х 30 х 3.95 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP50341 30 х 30 х 4.05 мм, вход 5,0 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP40347 30 х 30 х 4.7 мм, 4,0 A, вход с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP353047 30 х 30 х 4.7 мм, вход 3,5 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP35347 30 х 30 х 4.7 мм, вход 3,5 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP203475H 30 х 30 х 4.75 мм, 2,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP36367H-2 31.25 x 30 x 6,7 мм, вход 3,6 A с выводами, многоступенчатый модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP604020395H 40 х 20 х 3.95 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP60433H 40 х 40 х 3.3 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP1054033H 40 х 40 х 3.3 мм, вход 10,5 A с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Просмотреть сейчас

CP85435 40 х 40 х 3.5 мм, 8,5 А, вход с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP70437 40 х 40 х 3.8 мм, вход 7,0 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP12437 40 х 40 х 3.8 мм, вход 12,5 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP454375 40 х 40 х 3.75 мм, 4,5 A, вход с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP40439 40 х 40 х 3.9 мм, вход 3,5 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP604395H 40 х 40 х 3.95 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP50441 40 х 40 х 4.05 мм, вход 5,0 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP604040 40 х 40 х 4.0 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP30444 40 х 40 х 4.4 мм, 3,0 A, вход с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP144044 40 х 40 х 4.4 мм, 14,0 А, вход с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP40447 40 х 40 х 4.7 мм, 4,0 A, вход с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP35447 40 х 40 х 4.8 мм, вход 3,5 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP354047 40 х 40 х 4.7 мм, вход 4,7 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP68475H-2 40 х 40 х 7.5 мм, вход 6,8 A с выводами, многоступенчатый модуль Пельтье (TEC) Просмотреть сейчас

CP604060395 40 х 60 х 3.95 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP394044365 44 х 40.5 x 3,65 мм, вход 3,9 A с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Просмотреть сейчас

CP13535 50 х 50 х 3.42 мм, вход 13 A с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP185039 50 х 50 х 3.9 мм, 18,0 A, вход с выводами, модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP6055354 55 х 55 х 4.1 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP60555542 55 х 55 х 4.2 мм, 6,0 А, вход с выводами, высокопроизводительный модуль Пельтье (TEC) Посмотреть сейчас

CP60546241 62. 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