Модуль пельтье принцип работы

Элемент Пельтье

Товары

Элемент Пельтье представляет собой термоэлектрический преобразователь, выполненный в виде пластины с двумя выводами питания. Если к этим выводам приложить постоянное напряжение, то одна из сторон элемента начнёт охлаждаться, в то время как температура противоположной стороны будет расти.

Содержание

• Обзор
• Технические характеристики
• Подключение к плате Arduino
• Пример использования
• FAQ. Часто задаваемые вопросы

Обзор элемента Пельтье

Элемент Пельтье представляет собой термоэлектрический преобразователь, выполненный в виде пластины с двумя выводами питания. Если к этим выводам приложить постоянное напряжение, то одна из сторон элемента начнёт охлаждаться, в то время как температура противоположной стороны будет расти. Таким образом мы получим пластину с горячей и холодной стороной по оба конца элемента. Также следует отметить одну закономерность. Если принудительно отводить тепло с горячей стороны (например с помощью радиатора), то температура холодной стороны будет снижаться еще больше, вплоть до обледенения.

На рынке можно встретить много разновидностей элементов Пельтье — от бытовых до промышленных. Некоторые из них используются в узконаправленных проектах, а некоторые имеют широкий спектр применения.

В современных любительских проектах большую популярность получил элемент TEC1-12706, внешний вид которого показан на рисунке №1.

Рисунок №1 — внешний вид элемента Пельтье TEC1-12706

Как видно из рисунка, питающие провода имеют различный цвет, что говорит о наличии полярности питания, смена которой приведет к размену местами горячей и холодной сторон. Такое явление обусловлено внутренним строением элемента, состоящего из множества групп термических пар, которые размещены между пластинами. В качестве примера на рисунке №2 показано две полупроводниковых пары. В реальном элементе их насчитывается большое количество.

Рисунок №2 — внутреннее строение элемента Пельтье

В случае прохождения электрического тока через такую термическую пару, запускается процесс выделения тепловой энергии на переходе p-n и одновременное поглощение тепла на n-p переходе. Вследствие этого, часть контакта, сопряженного с n-p переходом будет охлаждаться, а пластина со стороны перехода p-n начнёт изменять температуру в сторону её увеличения. На рисунке №3 показана обобщенная модель элемента в целом.

Рисунок №3 — структура элемента Пельтье

Следует заметить, что элемент Пельтье способен на обратное преобразование. В случае подведения тепла к одной из его сторон, он начинает генерировать электрическую энергию. Это дает возможность использовать данное устройство в качестве теплового датчика, что в некоторых ситуациях может быть полезно.

Что касается маркировки, то она имеет определенную стандартизацию. Например для нашего элемента TEC1-12706 расшифровка будет следующей:

Первые два символа ТЕ всегда неизменны и несут информацию о том, что это изделие является термоэлементом;

Следующий символ отвечает за размер. Здесь могут присутствовать два варианта: С — стандартный размер; S — малый размер.

Крайняя цифра первой надписи (в нашем случае ТЕС 1 ) указывает количество слоев внутри элемента;

Три следующие цифры после дефиса говорят о количестве термопар. Для рассматриваемого в данной статье модуля это число равно 127.

И наконец, последние две цифры показывают значение потребляемого тока. Для нашего модуля — это 6А.

Технические характеристики TEC1-12706

Рассматривая элемент Пельтье TEC1-12706, можно выделить следующий ряд характеристик:

Величина рабочего напряжения: 12 В;

Максимальное напряжение питания: 15.4 В;

Ток потребления: 6 А;

Потребляемая мощность: 77 Вт;

Максимально возможная мощность охлаждения: 53.3 Вт;

Максимально возможная разница температур между противоположными сторонами: 60 о С;

Рабочая температура: -30 о С … +70 о С;

Количество термопар: 127;

Внутреннее сопротивление: 1,98 Ом;

Физические размеры: 40 x 40 x 3.82 мм;

Подключение к плате Arduino

Так как элемент Пельтье — это довольно “прожорливый” модуль, то его прямое подключение к выводам Arduino строго запрещено. Логично предположить, что в данном случае необходимо иметь промежуточный силовой коммутатор, способный управляться логическим уровнем микроконтроллера и выдерживать ток до 6А. Первое что приходит на ум — это коммутировать Пельтье при помощи релейного модуля. Однако перед сборкой схемы следует уяснить несколько важных правил, которые помогут продлить жизнь термоэлектрического преобразователя:

Пульсация питающего напряжения свыше 5% снижает эффективность работы элемента Пельтье в среднем на 30-40%;

Крайне не рекомендуется для питания элемента Пельтье использовать релейные регуляторы, выполняющие частые циклы включения и выключения. Такая динамика приведет к ускоренной деградации полупроводниковых пар и через 1-2 месяца модуль выйдет из строя. Средний цикл старт-стопов бытовых элементов равен около 5000 переключений.

Некоторые умельцы регулируют температуру элементов Пельтье при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такой подход аналогично релейным регуляторам способствует ускоренной деградации внутренних составляющих модуля.

На основании вышеизложенных фактов логичнее всего коммутировать питание элемента Пельтье при помощи полевого транзистора, способного открываться от логического уровня, например IRL540N. Он способен пропускать ток до 36А при 4.5В на затворе, что для модуля TEC1-12706 хватит с лихвой. На рисунке №4 показана соответствующая схема.

Рисунок №4 — подключение TEC1-12706 к Arduino Nano

Ниже приведен простой код, демонстрирующий включение и отключение элемента Пельтье с интервалом в 5 минут.

Пример использования

Найти достойное применение элементу Пельтье не составит особого труда. Данные модули широко используются в таких устройствах, как автомобильные холодильники, портативные кондиционеры, водяные кулеры, осушители воздуха, системы охлаждения процессоров и т. п. В рамках данной статьи, для более тесного знакомства с термопреобразователем TEC1-12706 мы создадим проект универсального охлаждающего устройства с возможностью установки пороговых температур. Структурная схема будущего проекта показана на рисунке №5.

Рисунок №5 — структурная схема охлаждающего устройства

В роли главного элемента системы выступит плата Arduino Nano, которая будет следить за показаниями датчиков и управлять всеми процессами. В проекте планируется использовать два цифровых датчика температуры DS18B20. Первый будет измерять температуру объекта, который необходимо охлаждать и в зависимости от настроек давать команду на включение или отключение элемента Пельтье. Второй термодатчик нужен для мониторинга степени нагрева радиатора, охлаждающего горячую сторону ТЕС1-12706. В зависимости от его показаний Arduino Nano скорректирует скорость вентилятора для отвода лишнего тепла.

Блок управления состоит из 3-х тактовых кнопок при помощи которых пользователь сможет настраивать пороговые значения температуры срабатывания и отключения элемента Пельтье. Кнопка “ОК” предназначена для выбора регулируемого параметра, а кнопки “+” и “-” для его изменения.

Все значения будут отображены на популярном среди ардуинщиков дисплее от Nokia 5110 с контроллером PCD8544. Полная схема проекта изображена на рисунке №6.

Рисунок №6 — схема универсального охладителя

Теперь подумаем, какую информацию необходимо отображать на экране. Было бы неплохо разделить дисплей на две части (верхнюю и нижнюю). В верхней части можно выводить данные с температурных датчиков холодной и горячей стороны элемента Пельтье, а также скорость вращения куллера. В нижней части удобно расположить два пункта меню, с помощью которых можно настроить температуру включения и отключения термоэлемента. Переключение между настраиваемыми параметрами будет осуществляться кнопкой “ОК”. Чтобы понять какой параметр выбран в данный момент, его планируется выводить в инверсном цвете. Нажатие кнопок “+” или “-” приведёт к изменению выбранного значения в ту или иную сторону. Ниже показан прототип будущего экрана, в котором выбран второй параметр (температура отключения Пельтье):

Итак, требования к проекту определены — можно начинать программировать. Но прежде необходимо установить некоторые библиотеки, а именно:

Библиотека OneWire.h для работы с цифровыми датчиками температуры;

Библиотека Adafruit_GFX.h для вывода графики на дисплей;

Библиотека Adafruit_PCD8544.h для работы с контроллером дисплея.

Остальные библиотеки, используемые в проекте входят в стандартный набор среды разработки Arduino IDE.

Ниже приведён полный код со всеми необходимыми комментариями:

На рисунке №7 показано несколько фото, демонстрирующие работу универсального охладителя.

Рисунок №7 — пример работы охладителя

Внешний вид макета в целом показан на рисунке №8

Рисунок №8 — действующий макет универсального охладителя

FAQ. Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Можно ли подключать модули Пельтье последовательно?

Ответ: Последовательное подключение элементов Пельтье вполне допустимо. При этом в случае использования однотипных модулей общее напряжение питания будет делиться на их количество. Например при последовательном соединении двух элементов ТЕС1-12706 с общим питанием 12В, на каждый из элементов будет приходиться по 6В.

Вопрос: Могут ли элементы Пельтье вырабатывать электроэнергию?

Ответ: Пельтье могут работать в режиме генератора постоянного напряжения, которое будет тем выше, чем больше разность температур на противоположных сторонах элемента. Данное явление известно как эффект Зебека.

Вопрос: Насколько сильно элемент Пельное боится перегрева?

Ответ: Следует помнить, что проводники элемента внутри спаяны припоем с температурой плавления от 80 до 200 о С. Поэтому во избежании выхода модуля из строя крайне рекомендуется следить за его перегревом.

Вопрос: В каких случаях Пельтье эффективен?

Ответ: Элемент Пельтье проявляет максимум своей эффективности в проектах, где необходимо охлаждать какой-либо не крупный объект. Например процессор, транзисторную сборку, силовые микросхемы и т.п. Городить на данных модулях комнатные кондиционеры не имеет смысла в силу наличия более эффективных методов.

Вопрос: Можно ли с помощью элемента Пельтье зарядить мобильный телефон?

Ответ: При обеспечении достаточной разности температур и использовании повышающего DC-DC преобразователя вполне возможно подзарядить свой мобильник даже от одного элемента ТЕС1-12706.

Модуль пельтье принцип работы

• На главную
• О компании
  • Руководство компании
  • Политика качества
  • Выставки
  • Сертификаты
• Технологии
  • Историческая справка
  • Преимущества и область применения
• Продукция
  • Термоэлектрические модули
  • Термоэлектрические сборки
  • Генераторные модули
  • Термоэлектрические генераторы
• Техническая поддержка
  • Инструкция по установке ТЭМ
  • Программа Криотерм
  • Рекламация о неисправности
• Испытания
  • Перечень испытаний
  • Результаты испытаний
• Электронные каталоги, статьи
• Контакты
  • Дилеры
• Вакансии
• Новости

• Главная »
• Технологии

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.

Что такое элемент Пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение

Холодильное оборудование настолько прочно вошло в нашу жизнь, что даже трудно представить, как можно было без него обходиться. Но классические конструкции на хладагентах не подходят для мобильного использования, например, в качестве походной сумки-холодильника.

Сумка-холодильник на элементах Пельтье, нет компрессора, не нуждается во фреоне или других хладагентах

Для этой цели используются установки, в которых принцип работы построен на эффекте Пельтье. Кратко расскажем об этом явлении.

Что это такое?

Под данным термином подразумевают термоэлектрическое явление, открытое в 1834 году французским естествоиспытателем Жаном-Шарлем Пельтье. Суть эффекта заключается в выделении или поглощении тепла в зоне, где контактируют разнородные проводники, по которым проходит электрический ток.

В соответствии с классической теорией существует следующее объяснение явления: электрический ток переносит между металлами электроны, которые могут ускорять или замедлять свое движение, в зависимости от контактной разности потенциалов в проводниках, сделанных из различных материалов. Соответственно, при увеличении кинетической энергии, происходит ее превращение в тепловую.

На втором проводнике наблюдается обратный процесс, требующий пополнения энергии, в соответствии с фундаментальным законом физики. Это происходит за счет теплового колебания, что вызывает охлаждение металла, из которого изготовлен второй проводник.

Современные технологии позволяют изготовить полупроводниковые элементы-модули с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.

Устройство и принцип работы

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

Устройство модульного элемента Пельтье

Обозначения:

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

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

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

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

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

Маркировка

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

Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706

Маркировка разбивается на три значащих группы:

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

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

Применение

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

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

Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.

Холодильник на элементах Пельтье

Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:

• простота конструкции;
• устойчивость к вибрации;
• отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
• низкий уровень шума;
• небольшие габариты;
• возможность работы в любом положении;
• длительный срок службы;
• небольшое потребление энергии.

Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.

Термоэлектрический автохолодильник установленный в салоне автомобиля

Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.

Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.

Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.

Термоэлектрический генератор B25-12 (М) на 12 вольт, мощностью 25 ватт

Для охлаждения процессора

Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.

Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.

Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.

Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.

Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.

Термоэлектрический кулер Армада

Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.

Кондиционер на элементах Пельтье

Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело — охладить небольшой объем холодильной камеры, другое — помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.

Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.

В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.

Для охлаждения воды

Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:

• вода не охлаждается ниже 10-12°С;
• на охлаждение требуется дольше времени, чем компрессорному аналогу, следовательно, такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством работников;
• устройство чувствительно к внешней температуре, в теплом помещении вода не будет охлаждаться до минимальной температуры;
• не рекомендуется установка в запыленных комнатах, поскольку может забиться вентилятор и охлаждающий модуль выйдет из строя.

Настольный кулер для воды с использованием элемента Пельтье

Осушитель воздуха на элементах Пельтье

В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.

Простой и недорогой китайский осушитель воздуха на элементах Пельтье

Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.

Как подключить?

С подключением модуля проблем не возникнет, на провода выходов необходимо подать постоянное напряжение, его величина указанна в даташит элемента. Красный провод необходимо подключить к плюсу, черный — к минусу. Внимание! Смена полярности меняет местами охлаждаемую и нагреваемую поверхности.

Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?

Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к соответствующему источнику напряжения и дотронуться до его разных сторон. У работоспособного элемента одна из них будет теплее, другая – холоднее.

Если подходящего источника под рукой нет, потребуется мультиметр и зажигалка. Процесс проверки довольно прост:

1. подключаем щупы к выводам модуля;
2. подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
3. наблюдаем за показаниями прибора.

В рабочем модуле при нагреве одной из сторон генерируется электрический ток, что отобразится на табло прибора.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Сделать самодельный модуль в домашних условиях практически невозможно, тем более в этом нет смысла, учитывая их относительно невысокую стоимость (порядка $4-$10). Но можно собрать устройство, которое будет полезным в походе, например, термоэлектрический генератор.

Схема подключения самодельного термогенератора

Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.

Принципиальная схема преобразователя напряжения

На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °С.

ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

Элемент Пельтье TEC1-12706. Характеристики, применение, условия эксплуатации

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.

Графические характеристики.

Габаритный чертеж модуля TEC1-12706.

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 и его применение (стр. 1 из 3)

Элемент пельтье своими руками

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

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

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

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

Рассмотрим на примере схем, как сделать пельтье своими руками:

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

Рисунок 1. Элемент пельтье своими руками: универсальная схема
Далее стоит следовать простой инструкции, как сделать пельтье своими руками:

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

Описание технологии и принцип действия

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

Рисунок 2. Принцип действия элемента

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

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

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

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

Технические характеристики элемента пельтье

Компонент получил широкое применение в различных холодильных схемах.

Общий каталог эффектов

• Естественнонаучные эффекты (ЕНЭ)

Выделение или поглощение (в зависимости от направления тока) тепла на контакте двух разнородных полупроводников или металла и полупроводника
Анимация

Эффект Пельтье — термоэлектрическое явление, обратное эффекту Зеебека: при пропускании электрического тока I через контакт (спай) двух различных веществ (проводников или полупроводников) на контакте, помимо джоулева тепла, происходит выделение дополнительного тепла Пельтье QP при одном направлении тока и его поглощение при обратном направлении.

Величина выделяемого тепла QP и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени его прохождения:

Здесь p12=p1-p2 — коэффициент Пельтье для данного контакта, связанный с абсолютными коэффициентами Пельтье p1 и p2 контактирующих материалов. При этом считается, что ток идет от первого образца ко второму. При выделении тепла Пельтье имеем: QP>0, p12>0, p1>p2. При поглощении тепла Пельтье оно считается отрицательным и соответственно: QP Читайте также: Защита от протечек: лучшие системы, особенности их применения, критерии и характеристики устройства (125 фото и видео)

где j=I/S — плотность тока;

S — площадь контакта;

размерность этой величины [qP]СИ=Вт/м2.

Из законов термодинамики вытекает, что коэффициент Пельтье и коэффициент термоэдс a связаны соотношением:

где Т — абсолютная температура контакта.

Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется по коэффициенту термоэдс, измерение которого более просто.

На рис. 1 и рис. 2 изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами А и В.

Выделение тепла Пельтье (контакт А)

Поглощение тепла Пельтье (контакт А)

Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви — термоэлектродами. Через цепь течет ток I, созданный внешним источником e. Рис. 1 иллюстрирует ситуацию, когда на контакте А (ток течет от ПП1 к ПП2) происходит выделение тепла Пельтье QP(А)>0, а на контакте В (ток направлен от ПП2 к ПП1) его поглощение — QP(В) ТВ.

На рис. 2 изменение знака источника меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 на контакте А и от ПП1 к ПП2 на контакте В. Соответственно меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурами контактов: QP(А) 0, ТА Читайте также: Классификация воздушных и подземных ЛЭП и их назначение

Причина возникновения эффекта Пельтье на контакте полупроводников с одинаковым видом носителей тока (два полупрводника n-типа или два полупрводника p-типа) такая же, как и в случае контакта двух металлических проводников. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит от многих причин: энергетического спектра, концентрации, механизма рассеяния носителей заряда. Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье (QP>0) и температура контакта повышается. При этом на другом спае носители, переходя в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от решетки, происходит поглощение теплоты Пельтье (QP Читайте также: 3 идеи сборки реле времени своими руками

Термоэлектрический метод охлаждения обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами охлаждения. Термоэлектрические устройства отличаются простотой управления, возможностью тонкого регулирования температуры, бесшумностью, высокой надежностью работы. Основной недостаток термоэлектрических устройств- малая величина эффективности, что не позволяет их использовать для промышленного получения «холода».

Термоэлектрические охлаждающие устройства применяются в бытовых и транспортных холодильниках, термостатах, для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов радиоэлектронной и оптической аппаратуры, для управления процессом кристаллизации, в медико-биологических приборах и т.д.

В компьютерной технике термоэлектрические охлаждающие устройства имеют жаргонное название ”кулеры” (от английского cooler — охладитель).

Техническая реализация Пельтье эффекта в полупроводниках

Основным технологическим узлом всех термоэлектрических охлаждающих устройств является термоэлектрическая батарея, набранная из последовательно соединенных термоэлементов. Так как металлические проводники обладают слабыми термоэлектрическими свойствами, термоэлементы делаются из полупроводнков, причем одна из ветвей термоэлемента должна состоять из чисто дырочного (р

-тип), а другая из чисто электронного (
n
-тип) полупроводника. Если выбрать такое направление тока (рис. 5), при котором на контактах, расположенных внутри холодильника тепло Пельтье будет поглощаться, а на наружных контактах выделяться в окружающее пространство, то температура внутри холодильника будет понижаться, а пространство вне холодильника нагреваться (что происходит при любой конструкции холодильника).

Принципиальная схема термоэлектрического холодильника

Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства — это эффективность охлаждения:

где α — коэффициент термоэдс;

ρ — удельное сопротивление;

λ — удельная теплопроводность полупроводника.

Параметр Z

— функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина
Z
максимальна. Максимальное снижение температуры связано с величиной эффективности выражением:

— температура холодного спая термоэлемента.

Чем больше значение Z

для отдельных ветвей, тем больше и то значение
Z
= (α1+α2)2/(√ρ1λ1+√ρ2λ2)2, которое определяет к.п.д. всего термоэлемента. Целесообразно выбирать полупроводники с наибольшими значениями подвижности и с минимальной теплопроводностью. Введение в полупроводник тех или иных примесей — основное доступное средство изменять его показатели (α, ρ, λ) в желательную сторону.

Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20оС до 200оС; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт.

Технологически стержни из полупроводниковых материалов с р

— и
n
-проводимостью (1) монтируются на теплопроводящие платы из изоляционного материала (2) с помощью металлических соединителей (3) как показано на рис. 6.

Схема термоэлектрического модуля

1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.- Т.5.- С.98-99, 125.

2. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.490-494.

3. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников.- М., 1967.- С.75-83, 292-311.

4. Иоффе А.Ф. Полупрводниковые термоэлементы.- М., 1960.

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.

Мощный генератор на 12 модулях Пельтье

Лучшее время для работы термогенератора на основе элементов пельтье, это конечно же зима. Потому что их нужно хорошо охлаждать, чтобы хоть что-то получить.

В эксперименте с испытанием мощного генератора использованы 12 модулей Пельтье TEC1-12706. Самые дешевые и популярные, продаются в этом китайском магазине. Для него есть кулер охлаждения.

Охлаждение в показанном примере осуществлялось вентилятором мощностью 5,4 ватта, 12 вольт.

О том, что это такое элемент Пельтье, какие у него характеристики и как работает, конструкции рабочих моделей, описано в нескольких статьях на нашем сайте, которые вы легко сможете найти через строку удобного поиска.

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Стандартные термоэлектрические модули имеют взаимообратный принцип действия. В этой статье мы расскажем о применении модулей Пельтье-Зеебека в теплообменных устройствах и приведём пример сборки кулера для воды и базовой охлаждающей системы для воздуха с возможностью обратного запуска (нагрева).

• Как самостоятельно изготовить кулер для охлаждения воды
• Как изготовить мини-холодильник, чиллер или кондиционер на теплоэлектрических модулях своими силами
• Где ещё применяют термоэлектрические модули

Принцип действия термоэлектрических модулей (ТЭМ), используемых для охлаждения, основан на эффекте Зеебека — обратном процессе относительно эффекта Пельтье. Основной элемент — всё тот же ТЭМ, описанный в первой части. При подаче постоянного тока на поле термопар наблюдается разность температур на плоскостях керамической пластины. Это факт, основанный на термодинамическом процессе, который мы описывать не будем (чтобы не утомлять научными выкладками), но покажем, как применить его в быту.

Примечание. Для постройки агрегатов, инструкции к которым приведены ниже, понадобятся базовые практические навыки сборки электрических цепей. Приведённые модели узлов являются примерными и могут быть заменены на аналогичные (или более/менее мощные) по усмотрению мастера.

Как самостоятельно изготовить кулер для охлаждения воды

Догадливый читатель уже понял, что «чудо-ковшик» из первой части можно использовать для охлаждения жидкости, если запустить его «в обратную сторону», подключив постоянный ток.

ТЭМ применены в каждом кулере для воды. Аналог этого заводского прибора вполне можно построить своими руками, при этом работать он будет не хуже. Мы опишем сам принцип работы и схему сборки. Компоновку и варианты исполнения можно подобрать, исходя из собственных потребностей. Например, сделать его переносным или стационарным, интегрированным в кухонную мебель или систему подготовки питьевой воды. Последний вариант оптимален, поскольку охлаждение в системе будет управляемым (по факту подачи питания).

Для этого нам понадобится:

1. Прямоугольная плоская герметичная ёмкость из нержавейки с размерами 100х100х30 (фляга-теплообменник) с резьбовыми выходами на ½ дюйма по коротким сторонам. Это единственный элемент, изготовление которого лучше заказать мастеру на заводе.
2. Подводка питьевой воды с фитингом на ½ дюйма (из ёмкости или водопровода).
3. Блок питания на 10–12 вольт с регулировкой силы тока.
4. Термоэлектрические модули TEC1–12705 (40×40) — 2 шт.
5. Провода сечением 0,2 мм.
6. Термоклей или термопаста.
7. Ключ на 2 канала (тумблер, кнопка).
8. Кран, паяльник, припой.

При помощи термоклея фиксируем ТЭМ на флягу. Соединяем провода по соответствующим группам (плюс и минус). Определяем удобное место расположения ключа, учитывая возможность замены при ремонте и доступность при использовании. Включаем его в схему. Присоединяем провода к блоку питания. Проводим испытания цепи.

Внимание! При испытаниях ограничьтесь наблюдением самого факта правильной работы, но не пытайтесь дать максимальную нагрузку насухую — это может привести к выходу из строя ТЭМ (ремонту не подлежит).

Затем соединяем входной фитинг фляги-теплообменника с каналом подачи воды, а выходной — с подводкой (гибкой или жёсткой) к крану.

Заполняем систему водой и выставляем оптимальную силу тока при нужном напоре струи. Оптимальный напор — чуть сильнее самотёка. Для забора прохладной питьевой воды этого будет вполне достаточно. Остальные нюансы — крепёж, длина проводов, расположение — сугубо индивидуальны в каждом отдельном случае.

Данную базовую систему можно развивать и совершенствовать. Например, установить термостат в теплообменнике и включить его в цепь вместо ключа (тумблера) — подойдёт там, где постоянно нужна вода определённой температуры. Флягу-теплообменник можно выполнить из серебра для дополнительной ионизации воды. Включив в систему повышающий преобразователь постоянного напряжения ЕК-1674, можно сократить расход электроэнергии до минимума.

Расчёт затрат на построение кулера:

В этой системе не задействован ребристый радиатор, т. к. поставленная цель — охлаждение (но не заморозка) небольшого объёма воды (300 мл) — достигается и без него.

Как изготовить мини-холодильник, чиллер или кондиционер на теплоэлектрических модулях своими силами

Более сложная задача — охлаждение воздуха. Если в случае с водой эффективность работы кулера гарантирована разницей плотности сред (вода — воздух), то в случае с однородной средой (воздух — воздух) дело обстоит сложнее. Основная трудность — отвод температуры с горячей стороны поверхности ТЭМ. Точнее — синхронный отвод температуры с обеих поверхностей. Если просто запустить элемент Пельтье-Зеебека, нагретый и охлаждённый воздух смешаются, и температура выровняется.

В замкнутых пространствах малого объёма (до 0,7 м 3 ) вполне применима система охлаждения на основе ТЭМ с двусторонним воздушным отводом. Это позволяет построить новый охлаждающий бокс или дать вторую жизнь старому холодильнику (морозильной камере). Для этого придётся немного усложнить систему, включив в неё пару отводящих вентиляторов обоюдной мощности, реле температуры, ребристый радиатор и использовать более производительные теплоэлектрические модули.

Нам понадобится (для одной базовой точки охлаждения):

1. ТЭМ ТЕС1–12712 (40Х40), 106 ватт — 1 шт.
2. Вентилятор RQA 12025HSL 110VAC (или мощнее) — 2 шт.
3. Радиатор HS 036–100 (100x85x25 мм).
4. Термостат ТАМ-133–1м (реле температуры с датчиком).
5. Блок питания постоянного тока 12 вольт, 6 ампер (с регулировкой).
6. Лист дюралюминия.
7. Провода, термопаста, крепёж

В готовом боксе, в верхней части охлаждаемой зоны, делаем прямоугольное окно размерами 100х100 мм. Вырезаем две пластины дюралюминия размерами 130х130 мм и 180х180 мм. Закрепляем вентилятор по центру меньшей пластины таки образом, чтобы оставался продух 1 см. Устанавливаем реле температуры внутри бокса. Монтируем меньшую из пластин изнутри бокса (вентилятором внутрь бокса) на шурупы или клёпки через герметик. Наклеиваем ТЭМы на смонтированную пластину и выводим провода. Вырезаем и выгибаем большую пластину так, чтобы она входила в монтажное отверстие, но при этом оставались бортики для фиксации к стенке бокса снаружи. Закрепляем на неё радиатор и второй вентилятор. Обильно смазываем термопастой ТЭМы и монтируем пластину к стенке бокса через герметик.

Внимание! Обязательно должен быть максимальный контакт площади ТЭМ и пластины!

Собираем электрическую цепь. Рекомендуем включить вентиляторы на постоянную максимальную мощность, а силу тока для ТЭМ — через регулятор. Это обеспечит эффективный съём температуры и перемешивание воздуха при работе в разных режимах (не на полную мощность).

Преимущества данной конструкции:

• бесшумная по сравнению с компрессорными холодильниками работа;
• отсутствие механизмов и движущихся частей, силы трения (нечему ломаться);
• не используются жидкие теплоносители (фреон);
• общая потребляемая мощность около 200 ватт;
• можно модернизировать конструкцию, варьировать производительность;
• доступность и ремонтопригодность отдельных агрегатов.

• возможно появление конденсата на пластинах дюралюминия;
• наружный блок управления;
• многие факторы и нюансы работы выявляются опытным путём при использовании;
• малая область применения.

Расчёт затрат на построение базовой охлаждающей системы холодильника и кондиционера:

В принципе, данная конструкция — готовый встраиваемый кондиционер, который можно установить в кабине автомобиля, трактора, в закрытом вольере или будке охраны. Следует лишь продумать конструктивную защиту от атмосферных осадков.

Запас мощности модуля ТЕС1–12712 довольно велик. Амплитуда температур на сторонах элемента может достигать 50 градусов. При температуре воздуха в помещении +27 °С и применении системы жидкостного охлаждения (радиатор + вентилятор), можно извлечь на выходе впечатляющие минус 25 °С! Это позволяет создавать бескомпрессорные и тихие морозильные камеры даже в домашних условиях.

Где ещё применяют термоэлектрические модули

Эффект Пельтье-Зеебека известен с 1840-х годов. Его активно используют и по сей день, благодаря устойчивости законов физики. Термоэлектрическому модулю всегда найдётся место там, где есть избыточная энергия или нужно быстро и бесшумно совершить теплообмен.

Основное применения теплоэлектрических модулей:

1. Охлаждение микросхем. Вентиляторы, как основной теплообменник, уходят в прошлое. Им на смену идут компактные, бесшумные и практически вечные ТЭМ.
2. Машиностроение. Даже самый современный ДВС выделяет отработавшие газы из камеры сгорания. Инженеры используют их высокую температуру для получения дополнительной энергии при помощи элементов Пельтье. Собранная энергия подаётся обратно в системы двигателя, но уже в виде постоянного тока, что позволяет экономить топливо.
3. Бытовая техника. Всё, что описано выше плюс большинство бытовых приборов, работающих на охлаждение или подогрев (кроме компрессорных холодильников).

И маленький секрет напоследок. Наш модуль имеет почти чудесное свойство — обратимость. Это значит, что при перемене полярности постоянного тока на проводах модуля (с помощью переключателя) горячая и холодная поверхность меняются местами. Кулер превращается в нагреватель, холодильник в тепловую камеру (инкубатор), а кондиционер — в маломощный тепловентилятор. Для этого не придётся изменять схему устройства. Достаточно просто поменять полярность.

Этот принцип использован в устройстве под названием рекуператор. Он представляет собой бокс, состоящий из двух изолированных камер, которые сообщаются между собой при помощи вентиляторов. При помощи модулей Пельтье холодный воздух с улицы подогревается энергией, извлечённой из нагретого воздуха, который отводится из помещения. Приспособление позволяет экономить на отоплении дома.

Для чего нужны элементы Пельтье? Элементы Пельтье: принцип работы, характеристики, применение

Количество электронных устройств в мире постоянно растет как снежный ком. Все они потребляют электроэнергию, и людям приходится постоянно возить и носить с собой аккумуляторы или вырабатывать ее на громоздких устройствах. В качестве источников тока не так давно стали применяться модули Пельтье — элементы, образующие электрический ток при создании разности температур на их противоположных сторонах.

Эффекты Пельтье и Зеебека

Несмотря на то что почти 2 века назад был создан первый элемент Пельтье, принцип работы нашел применение только сейчас, когда появились подходящие материалы и необходимость в использовании. Он заключается в тепловыделении на контакте разнородных проводников, когда по ним протекает электрический ток. При изменении полярности место контакта начинает охлаждаться. Процесс обратимый: при искусственном поддерживании разности температуры на контактах проводников в их цепи протекает электрический ток (эффект Зеебека).

На базе двух термоэлектрических эффектов создали модуль Пельтье, элементы которого располагаются между двумя параллельными керамическими пластинами в виде разнородных проводников. Проходящий ток через контакт проводников одинаков, а энергетические потоки в каждом из них различаются. Когда энергии в контакт поступает больше, чем вытекает из него, это значит, что электроны затормаживаются в переходной области, вызывая ее разогрев. При изменении полярности электроны ускоряются, забирая энергию у кристаллической решетки, что вызывает ее охлаждение.

Особенно активно эффект Пельтье проявляется на границах полупроводниковых элементов, где наиболее высокие энергетические процессы.

Термоэлектрический модуль

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

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

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

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

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

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

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

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

Достоинства и недостатки

• небольшие размеры;
• обратимость процесса;
• применение как электрогенератора или холодильника.

К недостаткам ТЭМ относят высокую стоимость, низкий КПД (не более 3 %), высокие энергозатраты и необходимость поддерживания разности температур.

Холодильник из модуля Пельтье

Элемент Пельтье для охлаждения процессора эффективнее стандартных элементов. При этом последние остаются, но применяются только для вывода тепла из замкнутого пространства компьютера.

При их конструировании в качестве охладителя электронных средств нужно учитывать следующие особенности.

1. Мощность напрямую связана с размерами модуля. Небольшие устройства не создадут требуемый уровень охлаждения. Например, они не обеспечат нормальный температурный режим процессора. Слишком мощный модуль вызывает появление влаги, являющейся причиной коротких замыканий в электронике, поскольку расстояния между токопроводящими элементами на печатных платах незначительны.
2. Модули Пельтье сами нуждаются в охлаждении с помощью вентиляторов и радиаторов, поскольку они выделяют много тепла. Это необходимо для снижения температуры в замкнутом пространстве компьютера и нормализации условий работы других элементов.
3. Модуль Пельтье является дополнительной нагрузкой в блоке питания.
4. Холодильник после выхода из строя является изолятором между радиатором и охлаждаемым элементом, что может привести к быстрому выходу последнего из строя от перегрева.
5. Современные процессоры могут изменять потребление энергии при работе, что благоприятно влияет на тепловой баланс, но не всегда при применении модулей Пельтье. Простейшие холодильники рассчитаны на непрерывную работу, и их не рекомендуется использовать вместе с программами охлаждения.

Выделение тепла

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

Тепловой режим модуля нужно правильно рассчитать, чтобы не было перегрева и не образовывался конденсат на электронных платах. Кулер Пельтье выбирается с оптимальной мощностью, где важно обеспечить правильное соотношение температуры внутри корпуса, объекта охлаждения и влажностью воздуха.

Элемент Пельтье: характеристики

ТЭМ выбирается по термоэлектрическим параметрам.

Расчет мощности состоит в следующем.

1. Выбирается максимально допустимое напряжение U_max(V) и по графику зависимости U(I) находят максимальную силу тока I_max(A), который протекает через модуль Пельтье. Здесь важно, чтобы его значение находилось в пределах роста зависимости температурного перепада от тока dT(I) = T_h— T_с.
2. По установленной величине I выбирается характеристика dT(Q), где Q — тепловая мощность охлаждаемого элемента.
3. По известным значениям dT и T_h определяется T_с = T_h— dT.

Характеристики dT(Q) показывают, что с ростом выделяемой тепловой мощности снижается разность dT. Ее можно сделать больше, если увеличить силу тока через модуль, которая, в свою очередь, должна быть ограничена.

Пример расчета

Исходные данные: U = 12 В, Q_с = 60 Вт и T_h = 50 °C.

При напряжении 12 В по характеристике U(I) находим ток I = 5 А.

Для силы тока 5 А разница температур dT = 4 К. Тогда T_с = T_h — dT = 50 — 4 = 46 °C.

Взяв более мощный модуль, можно увеличить dT. Для модуля на 131 Вт, где I_max = 8,5 А, U_max = 28,8 В и объекта с мощностью теплообразования 60 Вт разность температур составит 40 °C. Тогда T_с = 50 — 40 = 10 °C.

Выбирая по мощности ТЭМ, не следует забывать о том, сколько тепла он будет выделять. Этот тепловой поток следует удалять подходящими охлаждающими средствами. Когда традиционные средства не справляются с тепловыделением, применяют водяное охлаждение.

Кондиционер

Кондиционер на элементах Пельтье по эффективности пропорционален своим размерам. Его принцип действия и преимущества те же самые, что и у холодильника. Проблемой является отвод тепла за пределы охлаждаемого пространства.

Для кондиционера требуются 2 кулера, где один из них отводит холодный воздух, а другой — горячий. Источником питания в автомобиле служит аккумулятор, а для комнаты подойдет старый БП от персонального компьютера.

Одного модуля для работы устройства будет мало. Обычно применяются несколько элементов, склеенных между собой термопастой.

Холодильник своими руками

Эффект Пельтье применяется при создании портативных холодильников. Модуль можно купить за 300-500 руб., а радиатор с вентилятором берется от старого компьютера. В качестве контейнера можно использовать любую пластиковую, фанерную или металлическую емкости, оклеенные снаружи и изнутри теплоизолирующими пластинами (пенопласт, пеноплекс и т. п.) с отражающими слоями из алюминиевой фольги.

Модуль Пельтье удобней встраивать в крышку, но можно и в стенку корпуса. Если он располагается в верхней части емкости, холод перемещается вниз, обеспечивая равномерную температуру внутри.

Изнутри к модулю приклеивается на термопасту радиатор, который также крепится к крышке. Можно приклеить два модуля друг к другу, но при этом нельзя путать полярность. Горячая сторона нижнего элемента должна контактировать с холодной верхнего. Эффективность охлаждения при этом увеличится.

Снаружи к модулю приклеивается радиатор с вентилятором от кулера компьютера, а также дополнительно крепится к крышке саморезами или винтами. Крепеж с горячей и холодной сторон должен быть друг от друга изолирован, а шляпки залиты термоклеем.

Важно! Затяжку крепежа радиаторов нужно делать аккуратно, чтобы не треснули керамические пластины модулей.

Изнутри на крышку устанавливается теплоизолирующая прокладка. Чтобы улучшить теплоизоляцию, элементы с торцов закрываются рамкой из теплоизола.

Электрика подключается к блоку питания.

Электрогенераторы из модулей Пельтье

Элемент Пельтье, принцип работы которого обратим, применяется для создания миниэлектростанций в условиях отсутствия источников электроэнергии. Для сборки ТЭГ нужны элементы:

1. Модуль Пельтье, способный выдержать температуру от 300 °C. Распространены модели ТЕС-12712 с размерами сторон квадратных пластин 40, 50 и 60 мм. Если выбрать изделие максимального размера, достаточно одного элемента для подзарядки мобильного телефона. Максимальный ток показывают две последние цифры маркировки — 12 а.
2. Повышающий преобразователь. Генератор может не обеспечить нужное напряжение, и его следует увеличить. Чтобы заряжать гаджеты, следует подобрать устройство с разъемом USB.
3. Нагреватель и охладитель. Для походных условий или дачи подходит источник огневого подогрева: самодельная печка, лампа, свеча, костер. Современным решением является каталитический нагреватель, что позволяет производить подзарядку мобильника на ходу. Для охлаждения можно использовать воздух или воду.
4. Конструкция. Самодельный элемент Пельтье состоит из емкости, в которой разводится огонь, а снаружи на термопасту крепится модуль. Через провода он подключается к преобразователю напряжения. Здесь важно не перегреть устройство. Для этого на холодную сторону модуля приклеивается радиатор.

Заключение

Модули Пельтье — элементы, которые широко применяются для охлаждения современной электронной техники. Особенно они необходимы для нормализации теплового режима мощных процессоров. Из них изготавливают своими руками небольшие холодильники для авто или дачи.

Поскольку процесс обратимый, элементы применяют в качестве портативных мини-электростанций в местах, где нет источников электроэнергии.