Peltierova účinnost. Polovodičové chladničky Peltier

Počet elektronických zařízení na světě neustále roste jako sněhová koule. Všechny spotřebovávají elektřinu a lidé s sebou musí neustále nosit a nosit baterie nebo je vyrábět na rozměrných zařízeních. V poslední době se začaly používat Peltierovy moduly - prvky, které generují elektrický proud při vytváření teplotního rozdílu na jejich opačných stranách.

Peltierův a Seebeckový efekt

Navzdory tomu, že první Peltierův článek vznikl téměř před 2 stoletími, našel princip fungování uplatnění až nyní, kdy se objevily vhodné materiály a potřeba použití. Spočívá ve vývinu tepla na kontaktu rozdílných vodičů, když jimi protéká elektrický proud. Když se změní polarita, kontaktní plocha začne chladnout. Proces je vratný: když je na kontaktech vodičů uměle udržován teplotní rozdíl, protéká jejich obvodem elektrický proud (Seebeckův efekt).

Na základě dvou termoelektrických efektů byl vytvořen Peltierův modul, jehož prvky jsou umístěny mezi dvěma rovnoběžnými keramickými deskami v podobě nepodobných vodičů. Proud procházející kontaktem vodičů je stejný, ale toky energie v každém z nich jsou jiné. Když do kontaktu vstoupí více energie, než z něj odteče, znamená to, že elektrony jsou v přechodové oblasti inhibovány, což způsobuje jeho zahřívání. Když se změní polarita, elektrony se zrychlují a odebírají energii z krystalové mřížky, což způsobuje její ochlazení.

Peltierův jev je zvláště aktivní na hranicích polovodičových prvků, kde jsou energetické procesy nejvyšší.

Termoelektrický modul

Peltierovy prvky se používají v zařízení sestávajícím z mnoha polovodičů typu p a n. Na rozdíl od tranzistorů a diod jsou přechodové oblasti umístěny na rozhraní kov-polovodič. V modulu Peltier je velké množství prvků umístěno mezi keramickými deskami, díky čemuž je zařízení výkonnější.

Každý prvek obsahuje 4 přechody na kontaktu polovodič-kov. Když je elektrický obvod uzavřen, elektrony se pohybují z mínusu baterie do plusu a procházejí všemi přechody.

Při prvním přechodu termoelektrického modulu (TEM) mezi měděnou sběrnicí a p-polovodičem se v něm uvolňuje teplo, protože tok nábojů vstupuje do oblasti s nižší energií.

Při dalším kontaktu v polovodiči je energie absorbována, protože elektrony jsou „nasávány“ elektrickým polem, které se shoduje se směrem jejich pohybu. Tam probíhá proces chlazení.

Při třetím kontaktu je energie elektronů absorbována, protože polovodič typu n má více energie než kov.

Při čtvrtém přechodu se teplo uvolňuje, protože elektrony jsou opět inhibovány elektrickým polem.

Na jedné straně se tedy vytváří teplo a na druhé straně se ochlazuje. Na jednom prvku nebude tento jev patrný, ale Peltierův modul, jehož prvky jsou umístěny mezi dvěma keramickými deskami, vytváří výrazný teplotní rozdíl.

Modul lze použít jako generátor elektřiny, pokud jsou desky udržovány při různých teplotách. V tomto případě je každý Peltierův termoelektrický článek zapojen do série se sousedním přes měděné propojky a jejich proudy se sečtou.

Výhody a nevýhody

Výhody TEM:

• malé velikosti;
• reverzibilita procesu;
• použití jako elektrický generátor nebo lednička.

Mezi nevýhody TEM patří vysoká cena, nízká účinnost (ne více než 3 %), vysoká spotřeba energie a nutnost udržovat teplotní rozdíl.

Chladnička z Peltierova modulu

Peltierův prvek pro chlazení procesoru je účinnější než standardní prvky. Ty přitom zůstávají, ale slouží pouze k odvodu tepla z uzavřeného prostoru počítače.

Při jejich navrhování jako chladiče elektronických zařízení je třeba vzít v úvahu následující vlastnosti.

1. Výkon přímo souvisí s velikostí modulu. Malá zařízení neposkytnou požadovanou úroveň chlazení. Nezajistí například normální teplotní podmínky procesoru. Příliš výkonný modul způsobuje vznik vlhkosti, která způsobuje zkraty v elektronice, protože vzdálenosti mezi vodivými prvky na deskách plošných spojů jsou malé.
2. Samotné Peltierovy moduly je třeba chladit pomocí ventilátorů a chladičů, protože generují velké množství tepla. To je nezbytné pro snížení teploty v uzavřeném prostoru počítače a normalizaci provozních podmínek ostatních prvků.
3. Peltierův modul je přídavná zátěž v napájecím zdroji.
4. Po poruše chladničky funguje jako izolátor mezi chladičem a chlazeným prvkem, což může vést k rychlému selhání chlazeného prvku v důsledku přehřátí.
5. Moderní procesory dokážou během provozu měnit spotřebu energie, což má příznivý vliv na tepelnou bilanci, ale ne vždy při použití Peltierových modulů. Základní chladničky jsou určeny pro nepřetržitý provoz a nedoporučují se používat ve spojení s chladicími programy.

Uvolňování tepla

Chladicí účinek TEM je malý, ale produkuje hodně tepla. Při použití v systémové jednotce se teplota uvnitř výrazně zvyšuje, což ovlivňuje provoz dalších zařízení. Dalšími prostředky k jeho snížení jsou ventilátory a radiátory, které vytvářejí tepelný výfuk.

Tepelný režim modulu je nutné správně vypočítat, aby nedocházelo k přehřívání a kondenzaci vodních par na deskách elektroniky. Je zvolen Peltierův chladič s optimálním výkonem, kde je důležité zajistit správný poměr teploty uvnitř skříně, chladícího objektu a vlhkosti vzduchu.

Peltierův prvek: vlastnosti

TEM se volí podle termoelektrických parametrů.

Výpočet výkonu je následující.

1. Je zvoleno maximální přípustné napětí U max (V) a maximální proud I max (A), který protéká Peltierovým modulem, je zjištěn z grafu závislosti U(I). Zde je důležité, aby jeho hodnota byla v mezích nárůstu závislosti teplotního rozdílu na proudu dT(I) = T h - T s.
2. Na základě nastavené hodnoty I se zvolí charakteristika dT(Q), kde Q je tepelný výkon chlazeného prvku.
3. Na základě známých hodnot dT a T h se určí T c = T h - dT.

Charakteristiky dT(Q) ukazují, že s rostoucím uvolněným tepelným výkonem se rozdíl dT snižuje. Lze jej zvětšit zvýšením proudu procházejícího modulem, který musí být naopak omezen.

Příklad výpočtu

Výchozí údaje: U = 12 V, Q c = 60 W a Th = 50 °C.

Při napětí 12 V pomocí charakteristiky U(I) zjistíme proud I = 5 A.

Pro proud 5 A je teplotní rozdíl dT = 4 K. Potom T c = T h - dT = 50 - 4 = 46 °C.

Využitím výkonnějšího modulu můžete zvýšit dT. Pro modul 131 W, kde I max = 8,5 A, U max = 28,8 V a objekt s výkonem výroby tepla 60 W, bude rozdíl teplot 40 °C. Potom Tc = 50 - 40 = 10 °C.

Při výběru TEM na základě výkonu by se nemělo zapomínat na to, kolik tepla bude generovat. Tento tepelný tok musí být odstraněn vhodnými chladicími prostředky. Když tradiční prostředky nezvládnou tvorbu tepla, používá se vodní chlazení.

Klimatizace

Účinnost klimatizace založené na Peltierových prvcích je úměrná její velikosti. Její princip fungování a výhody jsou stejné jako u ledničky. Problémem je odvod tepla mimo chlazený prostor.

Klimatizace vyžaduje 2 chladiče, kdy jeden z nich odvádí studený vzduch a druhý horký vzduch. Auto používá baterii, do pokoje se hodí starý zdroj z osobního počítače.

Jeden modul nebude pro provoz zařízení stačit. Obvykle se používá několik prvků slepených tepelnou pastou.

DIY lednice

Peltierův efekt se používá k vytvoření přenosných chladniček. Modul lze zakoupit za 300-500 rublů a chladič s ventilátorem je převzat ze starého počítače. Jako nádobu můžete použít jakékoliv plastové, překližkové nebo kovové nádoby, zvenku i zevnitř vyložené tepelně izolačními deskami (molitan, penoplex atd.) s reflexními vrstvami hliníkové fólie.

Výhodnější je instalovat Peltierův modul do víka, ale lze jej instalovat i do stěny pouzdra. Pokud je umístěn v horní části nádoby, chlad se pohybuje dolů a zajišťuje rovnoměrnou teplotu uvnitř.

Zevnitř je na modul pomocí teplovodivé pasty nalepen chladič, který je také připevněn ke krytu. Můžete slepit dva moduly k sobě, ale nezaměňujte polaritu. Horká strana spodního prvku by měla být v kontaktu se studenou stranou horní části. Tím se zvýší účinnost chlazení.

Na vnější straně modulu je nalepen chladič s ventilátorem z chladiče počítače, který je také dodatečně připevněn ke krytu šrouby nebo samořeznými šrouby. Upevňovací prvky na teplé a studené straně musí být od sebe izolovány a krytky musí být naplněny tavným lepidlem.

Důležité! Upevňovací prvky chladiče je třeba pečlivě dotáhnout, aby keramické desky modulů nepraskli.

Na vnitřní straně víka je instalováno tepelně izolační těsnění. Pro zlepšení tepelné izolace jsou prvky na koncích zakryty rámem z tepelné izolace.

Elektrika je připojena k napájení.

Elektrické generátory z modulů Peltier

Peltierův prvek, jehož princip fungování je reverzibilní, se používá k vytvoření minielektráren při absenci zdrojů elektřiny. K sestavení TEG potřebujete následující prvky:

1. Peltierův modul schopný odolávat teplotám od 300 °C. Běžné jsou modely TES-12712 s bočními rozměry čtvercových desek 40, 50 a 60 mm. Pokud si vyberete produkt o maximální velikosti, stačí jeden prvek k nabití vašeho mobilního telefonu. Maximální proud je znázorněn posledními dvěma číslicemi označení - 12a.
2. Boost konvertor. Generátor nemusí poskytovat požadované napětí a měl by být zvýšen. Chcete-li nabíjet gadgety, měli byste si vybrat zařízení s konektorem USB.
3. Ohřívač a chladič. Pro kempingové podmínky nebo letní chatu je vhodný zdroj vytápění ohněm: domácí sporák, lampa, svíčka, oheň. Moderním řešením je katalytické topení, které umožňuje dobíjet mobilní telefon na cestách. K chlazení lze použít vzduch nebo vodu.
4. Design. Domácí Peltierův prvek se skládá z nádoby, ve které se zapaluje oheň, a modulu je připevněn zvenčí pomocí teplovodivé pasty. Je připojen pomocí vodičů k měniči napětí. Zde je důležité, aby nedošlo k přehřátí zařízení. K tomu je na studenou stranu modulu přilepen radiátor.

Závěr

Peltierovy moduly jsou prvky, které jsou široce používány pro chlazení moderních elektronických zařízení. Jsou nezbytné zejména pro normalizaci tepelných podmínek výkonných procesorů. Vlastníma rukama se z nich vyrábějí malé ledničky do aut nebo na chaty.

Protože je proces reverzibilní, články se používají jako přenosné minielektrárny v místech, kde nejsou žádné zdroje elektřiny.

2. června 2012 ve 23:47 hodin

Peltierovy prvky aneb moje cesta ke kryogenním teplotám

• DIY nebo Udělej si sám

Mnozí slyšeli o „magických“ Peltierových prvcích - když jimi prochází proud, jedna strana se ochladí a druhá se zahřívá. To funguje i v opačném směru – pokud je jedna strana ohřívána a druhá ochlazována, vzniká elektřina. Peltierův jev je znám již od roku 1834, ale dodnes jsme nadšeni inovativními produkty, které jsou na něm založené (jenom musíme mít na paměti, že při výrobě elektřiny, jako jsou solární panely, existuje bod maximálního výkonu, a pokud pracovat daleko od něj, tvorba efektivity je značně snížena).

Číňané v poslední době vystupňovali svou hru a zaplavili internet svými relativně levnými moduly, takže experimentování s nimi už nezabere příliš peněz. Číňané slibují maximální teplotní rozdíl mezi teplou a studenou stranou 60-67 stupňů. Hmmm... Co když vezmeme 5 prvků a zapojíme je do série, pak bychom měli dostat 20C-67*5 = -315 stupňů! Ale něco mi říká, že všechno není tak jednoduché...

Stručná teorie

Klasické „čínské“ Peltierovy prvky je 127 prvků zapojených do série a připájených na keramickou „desku s plošnými spoji“ vyrobenou z Al2O3. Pokud je tedy provozní napětí 12V, pak každý prvek představuje pouze 94mV. Existují prvky s různým počtem po sobě jdoucích prvků a podle toho i jiným napětím (například 5V).

Musíme si pamatovat, že Peltierův článek není rezistor, jeho odpor je nelineární, takže pokud použijeme 12V - nemusíme dostat 6 ampér (pro 6 ampérový prvek) - proud se může měnit v závislosti na teplotě (ale ne příliš mnoho). Také při 5V (tedy méně než je jmenovitá hodnota) nebude proud 2,5A, ale menší.

Kromě toho je množství přenášeného tepla vysoce závislé na teplotním rozdílu mezi povrchy. S rozdílem 60-67C má přenos tepla tendenci k 0 a s nulovým rozdílem - 51 Watt pro 12*6 = 72W prvek. Zjevně to již neumožňuje tak snadné zapojování prvků do série - každý další musí mít menší velikost než předchozí, jinak se nejchladnější prvek pokusí vydat více tepla (72 W) než prvek další stupeň může sám procházet při požadovaném teplotním rozdílu (1-51W).

Peltierovy prvky jsou montovány nízkotavnou pájkou s bodem tavení 138C - pokud by tedy prvek náhodou zůstal bez chlazení a přehříval se, pak bude stačit rozpájet jeden z 127*2 kontaktů a prvek vyhodit na skládku. No, prvky jsou velmi křehké - jak keramika, tak samotné chladicí prvky - omylem jsem roztrhl 2 prvky "podélně" kvůli těsně zaschlé tepelné pastě:

Zkusme to

Takže malý prvek je 5V * 2A, velký je 12 * 9A. Chladič s heatpipe, pokojová teplota. Výsledek: -19 stupňů. Zvláštní... 20-67-67 = -114, ale ukázalo se, že je to žalostných -19...

Myšlenka je vyndat vše na mrazivý vzduch, ale je tu problém - chladič na tepelných trubicích se dobře ochladí pouze tehdy, když teplota „horké“ a „studené“ strany chladiče leží na opačných stranách plynu. přechod kapalné fáze výplně trubek. V našem případě to znamená, že chladič v zásadě není schopen uchladit nic pod +20C (protože dole fungují jen tenké stěny heatpipe). Budeme se muset vrátit k základům – k celoměděnému chladicímu systému. A aby omezený výkon chladiče neovlivnil měření, přidáváme kilogramovou měděnou desku - tepelný akumulátor.

Výsledek je šokující – stejných -19 s jedním i dvěma stupni. Okolní teplota - -10. Tito. s nulovou zátěží jsme sotva vymáčkli ubohých 9 stupňů rozdílu.

Rozjeďte těžké dělostřelectvo

Ukázalo se, že chladírna č. 7 není daleko ode mě a rozhodl jsem se zastavit s kartonovou krabicí. Vrátil se s 5 kilogramy suchého ledu (teplota sublimace -78C). Spustíme tam měděnou konstrukci - zapojíme proud - při 12V začne teplota okamžitě stoupat, při 5V klesne o 1 stupeň za vteřinu a pak rychle vzroste. Všechny naděje jsou zmařeny...

Závěry a video pro dezert

Účinnost konvenčních čínských Peltierových prvků rychle klesá při teplotách pod nulou. A i když je stále možné chladit plechovku koly se zdánlivou účinností, teploty pod -20 nelze dosáhnout. A problém není v konkrétních prvcích - zkoušel jsem prvky různých modelů od 3 různých prodejců - chování stejné. Zdá se, že kryogenní stupně vyžadují prvky z jiných materiálů (a možná každý stupeň vyžaduje jiný materiál prvku).

Se zbývajícím suchým ledem můžete udělat následující:

PS. A pokud smícháte suchý led s isopropylalkoholem, získáte tekutý dusík pro „chudé“ – stejně zábavné je zmrazovat a lámat květiny atd. Je to jen proto, že se alkohol při kontaktu s pokožkou nevaří, a proto je mnohem snazší získat omrzliny.

Peltierovy články jsou speciální termoelektrické měniče, které pracují na Peltierově principu. (vznik teplotního rozdílu při připojení elektrického proudu, jinak řečeno termoelektrický chladič).

Není žádným tajemstvím, že elektronická zařízení se během provozu zahřívají. Zahřívání negativně ovlivňuje pracovní proces, proto, aby se zařízení nějak ochladilo, jsou do těla zařízení zabudovány speciální prvky, nazvané podle vynálezce z Francie - Peltiera. Jedná se o malý prvek, který může chladit rádiové komponenty na deskách zařízení. Vlastní instalace nezpůsobí žádné problémy; instalace do obvodu se provádí běžnou páječkou.

1 — Keramický izolátor
2 - vodič typu n
3 - vodič typu p
4 - Měděný vodič

V raných dobách se o problémy chlazení nikdo nezajímal, takže tento vynález zůstal nevyužit. O dvě století později, při používání elektronických zařízení v každodenním životě a průmyslu, se začaly používat miniaturní Peltierovy prvky připomínající účinek francouzského vynálezce.

Princip fungování

Abychom pochopili, jak prvek založený na Peltierově vynálezu funguje, je nutné porozumět fyzikálním procesům. Výsledkem je spojení dvou materiálů s vodivými vlastnostmi, které mají různé energie elektronů v oblasti vodivosti. Když je elektrický proud připojen ke komunikační zóně, dostávají elektrony vysokou energii k přesunu do zóny s vyšší vodivostí druhého polovodiče. Při pohlcování energie se vodiče ochlazují. Když proud teče opačným směrem, dochází k obvyklému efektu zahřívání kontaktu.

Veškeré práce se provádějí na úrovni atomové mřížky materiálu. Pro lepší pochopení díla si představme plyn složený z částic – fononů. Teplota plynu závisí na parametrech:

• Vlastnosti kovu.
• Okolní teploty.

Předpokládáme, že kov se skládá ze směsi elektronu a fononového plynu, která je v termodynamické rovnováze. Když se dva kovy různých teplot dotknou, studený elektronový plyn se přesune do teplého kovu. Vzniká potenciální rozdíl.

Na přechodu kontaktu elektrony absorbují fononovou energii a přenášejí ji na jiný kov na fonony. Při změně pólů zdroje proudu se celý proces obrátí. Teplotní rozdíl se bude zvyšovat, dokud nebudou k dispozici volné elektrony s vysokým potenciálem. Při jejich nepřítomnosti se teploty v kovech vyrovnají.

Pokud na jednu stranu Peltierovy desky nainstalujete kvalitní chladič v podobě radiátoru, pak druhá strana desky vytvoří nižší teplotu. Bude o několik desítek stupňů nižší než okolní vzduch. Čím vyšší je hodnota proudu, tím silnější bude chlazení. Když je polarita proudu obrácená, studená a teplá strana se navzájem vymění.

Při připojení Peltierova prvku ke kovu se efekt stává nevýznamným, takže jsou prakticky instalovány dva prvky. Jejich počet může být libovolný, záleží na potřebě chladicího výkonu.

Účinnost Peltierova jevu závisí na tom, jak přesně jsou zvoleny vlastnosti kovů, na síle proudu procházejícího zařízením a na rychlosti odvodu tepla.

Rozsah použití

Pro praktickou aplikaci Peltierova prvku provedli vědci několik experimentů, které ukázaly, že zvýšení odvodu tepla je dosaženo zvýšením počtu spojení dvou materiálů. Čím větší je počet spojů materiálů, tím větší je účinek. Častěji v našem životě se takový prvek používá k chlazení elektronických zařízení a snížení teploty v mikroobvodech.

Zde jsou některé z jejich použití:

• Zařízení pro noční vidění.
• Digitální fotoaparáty, komunikační zařízení, mikroobvody, které vyžadují kvalitní chlazení pro lepší obrazový efekt.
• Chlazené dalekohledy.
• Klimatizace.
• Přesné hodinové chladicí systémy pro křemenné elektrické oscilátory.
• Ledničky.
• Vodní chladiče.
• Autochladničky.
• Video karty.

Peltierovy prvky se často používají v chladicích a klimatizačních systémech. Je možné dosáhnout poměrně nízkých teplot, což otevírá možnost použití pro chlazení zařízení se zvýšeným ohřevem.

V současnosti odborníci používají Peltierovy prvky v akustických systémech, které fungují jako chladič. Peltierovy prvky nevytvářejí žádné zvuky, takže bezhlučnost je jednou z jejich výhod. Tato technologie se stala populární díky svému silnému přenosu tepla. Prvky vyrobené moderní technologií jsou kompaktní velikosti a chladicí radiátory udržují určitou teplotu po dlouhou dobu.

Výhodou prvků je jejich dlouhá životnost, protože jsou vyrobeny ve formě monolitického těla, poruchy jsou nepravděpodobné. Jednoduchá konstrukce obvyklého široce používaného typu je jednoduchá, skládá se ze dvou měděných vodičů se svorkami a vodiči, keramická izolace.

Toto je malý seznam míst použití. Rozšiřuje se o domácí zařízení, počítače a automobily. Lze zaznamenat použití Peltierových prvků v chladicích mikroprocesorech s vysokým výkonem. Dříve do nich byly instalovány pouze ventilátory. Nyní se při instalaci modulu s Peltierovými prvky výrazně snížil hluk při provozu zařízení.

Změní se chladicí okruhy v běžných chladničkách na okruhy využívající Peltierův jev? Dnes je to stěží možné, protože prvky mají nízkou účinnost. Jejich cena také neumožňuje jejich použití v chladničkách, protože je poměrně vysoká. Jak se bude tento směr vyvíjet, ukáže budoucnost. Dnes se provádějí experimenty s pevnými roztoky, které mají podobnou strukturu a vlastnosti. Při jejich použití může dojít ke snížení ceny chladicího modulu.

Reverzní účinek Peltierových prvků

Technologie tohoto typu má funkci se zajímavými fakty. Jedná se o efekt generování elektrického proudu chlazením a ohřevem desky Peltierova modulu. Jinými slovy, slouží jako generátor elektrické energie s opačným účinkem.

Takové generátory elektřiny stále čistě teoreticky existují, ale můžeme doufat v budoucí vývoj tohoto směru. Svého času nenašel francouzský vynálezce pro svůj objev uplatnění.

Dnes je tento termoelektrický jev široce používán v elektronice. Rozsah použití se neustále rozšiřuje, což potvrzují zprávy a zkušenosti výzkumníků a vědců. V budoucnu budou mít domácí a elektronické spotřebiče pokročilé inovativní schopnosti. Chladničky ztichnou, stejně jako počítače. Mezitím se Peltierovy moduly montují do různých obvodů pro chlazení rádiových komponent.

Výhody a nevýhody

Mezi výhody Peltierových prvků patří následující skutečnosti:

• Kompaktní pouzdro prvků umožňuje montáž na desku s rádiovými součástkami.
• Neobsahuje žádné pohyblivé nebo třecí části, což zvyšuje jeho životnost.
• Umožňuje spojení mnoha prvků do jedné kaskády, podle schématu, které umožňuje snížit teplotu velmi horkých částí.
• Při změně polarity napájecího napětí bude prvek pracovat v opačném pořadí, to znamená, že se místo chlazení a ohřevu vymění.

Mezi nevýhody patří následující:

• Nedostatečný akční koeficient ovlivňující nárůst dodávaného proudu pro dosažení požadovaného teplotního rozdílu.
• Poměrně složitý systém pro odvod tepla z chladicí plochy.

Jak vyrobit Peltierovy prvky pro lednici

Takové Peltierovy prvky si můžete rychle a snadno vyrobit sami. Nejprve se musíte rozhodnout o materiálu desek. Je nutné odebírat desky prvků z odolné keramiky, připravit vodiče v množství větším než 20 kusů, aby byl zajištěn co největší teplotní rozdíl. Při dostatečném počtu prvků účinnosti dojde k výraznému zvýšení výkonu chladničky.

Velkou roli hraje výkon použité lednice. Pokud pracuje na kapalném freonu, pak nebudou žádné problémy s výkonem. Desky prvků jsou namontovány v blízkosti výparníku, namontované společně s motorem. Pro takovou instalaci budete potřebovat určitou sadu těsnění a nástrojů. Tím zajistíte rychlé vychladnutí dna lednice.

Je nutná pečlivá izolace vodičů, teprve poté jsou připojeny ke kompresoru. Po dokončení instalace je třeba zkontrolovat napětí pomocí multimetru. Pokud dojde k poruše prvků (například zkrat), termostat bude fungovat.

Další aplikace termoelektrických modulů

Peltierův modulový efekt se dnes využívá díky fyzikálním zákonům. Přebytek energie prvků je vždy užitečný tam, kde je vyžadována tichá a rychlá výměna tepla.

Hlavní místa, kde se moduly používají:

• Chlazení mikroprocesorů.
• Spalovací motory produkují výfukové plyny, které vědci začali využívat k výrobě pomocné energie pomocí termoelektrických modulů. Takto získaná energie se opět dodává do motoru ve formě elektřiny. Tím dochází k úsporám paliva.
• V domácích zařízeních, která působí na vytápění nebo chlazení.

Chladicí chladič se může stát ohřívačem a chladnička může fungovat jako ohřívací skříň, pokud je stejnosměrná polarita obrácena. Tomu se říká reverzibilní efekt.

Tento princip se používá u rekuperátorů. Skládá se z krabice dvou komor. Jsou navzájem spojeny ventilátorem. Peltierovy články ohřívají studený vzduch přicházející zvenčí pomocí energie, která se odebírá z teplého vzduchu uvnitř místnosti. Toto zařízení šetří náklady na vytápění.

Standardní termoelektrické moduly mají reciproční princip činnosti. V tomto článku si povíme o použití modulů Peltier-Seebeck v teplosměnných zařízeních a uvedeme příklad sestavení vodního chladiče a základního vzduchového chlazení s možností zpětného spouštění (topení).

Princip činnosti termoelektrických modulů (TEM) používaných k chlazení je založen na Seebeckově jevu – inverzním procesu Peltierova jevu. Hlavním prvkem je stejný TEM popsaný v první části. Při přivedení stejnosměrného proudu do pole termočlánku je pozorován teplotní rozdíl v rovinách keramické desky. Jedná se o skutečnost založenou na termodynamickém procesu, který nebudeme popisovat (abychom nás nenudili vědeckými výpočty), ale ukážeme si, jak jej aplikovat v běžném životě.

Poznámka. K sestavení jednotek, jejichž návod je uveden níže, budete potřebovat základní praktické dovednosti při sestavování elektrických obvodů. Uvedené modely uzlů jsou přibližné a lze je dle uvážení mastera nahradit podobnými (nebo více/méně výkonnými).

Jak si vyrobit vlastní vodní chladič

Znalému čtenáři již došlo, že „zázračnou naběračku“ z prvního dílu lze použít k chlazení kapalin, pokud ji spustíte „v opačném směru“ připojením stejnosměrného proudu.

TEM se používají v každém vodním chladiči. Je docela možné postavit analog tohoto továrního zařízení vlastníma rukama a nebude to fungovat hůř. Popíšeme princip fungování a montážní schéma. Možnosti rozvržení a designu lze vybrat na základě vašich vlastních potřeb. Udělejte jej například přenosný nebo stacionární, integrovaný do kuchyňského nábytku nebo systému přípravy pitné vody. Poslední možnost je optimální, protože chlazení v systému bude řízeno (jakmile bude přivedeno napájení).

K tomu potřebujeme:

1. Obdélníková plochá uzavřená nádoba z nerezové oceli o rozměrech 100x100x30 (baňka tepelného výměníku) s ½palcovými závitovými výstupy na krátkých stranách. Toto je jediný prvek, jehož výrobu je nejlepší zadat řemeslníkovi v továrně.
2. Přívod pitné vody s ½ palcovou armaturou (z nádoby nebo z vodovodu).
3. Napájecí zdroj pro 10-12 voltů s nastavitelným proudem.
4. Termoelektrické moduly TEC1-12705 (40x40) - 2 ks.
5. Dráty o průřezu 0,2 mm.
6. Tavné lepidlo nebo teplovodivá pasta.
7. Klíč pro 2 kanály (přepínač, tlačítko).
8. Jeřáb, páječka, pájka.

Pomocí horkého lepidla připevníme TEM na baňku. Vodiče připojujeme podle odpovídajících skupin (plus a mínus). Určíme vhodné umístění klíče s ohledem na možnost výměny při opravách a dostupnost během používání. Zahrnujeme to do schématu. Připojíme vodiče k napájení. Testujeme obvod.

Pozor! Při testování se omezte na dodržení samotného faktu správného fungování, ale nesnažte se aplikovat maximální zatížení nasucho - to může vést k poruše TEM (nelze jej opravit).

Poté připojíme vstupní armaturu výměníkové baňky s přívodním kanálem vody a výstup s přívodem (ohebným nebo tuhým) ke kohoutku.

Systém naplníme vodou a nastavíme optimální sílu proudu při požadovaném tlaku paprsku. Optimální tlak je o něco silnější než gravitace. To bude stačit na sběr studené pitné vody. Zbývající nuance - upevňovací prvky, délka drátů, umístění - jsou v každém jednotlivém případě čistě individuální.

Tento základní systém lze rozvíjet a zlepšovat. Například instalace termostatu do výměníku a jeho připojení k okruhu místo klíče (přepínače) je vhodné tam, kde je neustále potřeba voda o určité teplotě. Baňka tepelného výměníku může být vyrobena ze stříbra pro dodatečnou ionizaci vody. Zahrnutím DC-DC boost konvertoru EK-1674 do systému můžete snížit spotřebu energie na minimum.

Výpočet nákladů na stavbu chladiče:

Tento systém nezahrnuje žebrovaný chladič, protože stanoveného cíle - ochlazení (ale ne zmrznutí) malého objemu vody (300 ml) - je dosaženo bez něj.

Jak si svépomocí vyrobit miniledničku, chladič nebo klimatizaci pomocí termoelektrických modulů

Obtížnějším úkolem je chlazení vzduchem. Jestliže v případě vody je účinnost chladiče zaručena rozdílem hustoty média (voda - vzduch), pak v případě homogenního média (vzduch - vzduch) je situace složitější. Hlavním problémem je odstranění teploty z horké strany povrchu TEM. Přesněji synchronní odvod teploty z obou povrchů. Pokud jednoduše zapnete Peltier-Seebeck prvek, ohřátý a ochlazený vzduch se smísí a teplota se vyrovná.

Ve stísněných prostorech malého objemu (do 0,7 m3) je zcela použitelný chladicí systém na bázi TEM s oboustranným výstupem vzduchu. To vám umožní postavit nový chladicí box nebo dát druhý život staré lednici (mrazáku). K tomu budete muset systém trochu zkomplikovat zařazením dvojice odtahových ventilátorů vzájemného výkonu, teplotního relé, lamelového radiátoru a použití účinnějších termoelektrických modulů.

Budeme potřebovat (pro jeden základní bod chlazení):

1. TEM TES1-12712 (40X40), 106 wattů - 1 ks.
2. Ventilátor RQA 12025HSL 110VAC (nebo výkonnější) - 2 ks.
3. Radiátor HS 036-100 (100x85x25 mm).
4. Termostat TAM-133-1m (teplotní relé s čidlem).
5. Stejnosměrné napájení 12 voltů, 6 ampérů (regulované).
6. Duralový plech.
7. Dráty, tepelná pasta, spojovací materiál

V hotovém boxu v horní části chladicí zóny vyrobíme obdélníkové okno o rozměru 100x100 mm. Vyřízli jsme dva duralové pláty o rozměrech 130x130 mm a 180x180 mm. Ventilátor upevníme do středu menší desky tak, aby proudil 1 cm vzduchu. Uvnitř krabice nainstalujeme teplotní relé. Menší z plátů namontujeme zevnitř krabice (s ventilátorem uvnitř krabice) pomocí šroubů nebo nýtů přes tmel. TEM přilepíme na osazenou desku a vytáhneme dráty. Velkou desku vystřihneme a ohneme tak, aby zapadla do montážního otvoru, ale zároveň tam byly bočnice pro upevnění na stěnu krabice z vnější strany. K němu připevníme chladič a druhý ventilátor. TEM vydatně namažeme teplovodivou pastou a přes tmel namontujeme desku na stěnu krabice.

Pozor! Mezi oblastí TEM a deskou musí být maximální kontakt!

Sestavujeme elektrický obvod. Doporučujeme zapnout ventilátory na konstantní maximální výkon a proud pro TEM přes regulátor. To zajistí efektivní odečítání teploty a míchání vzduchu při provozu v různých režimech (ne na plný výkon).

Výhody tohoto designu:

• tichý chod ve srovnání s kompresorovými chladničkami;
• nepřítomnost mechanismů a pohyblivých částí, třecí síly (nic, co by se zlomilo);
• nepoužívají se žádné kapalné chladicí kapaliny (freon);
• celková spotřeba energie je asi 200 wattů;
• můžete modernizovat design, měnit výkon;
• dostupnost a udržovatelnost jednotlivých jednotek.

nedostatky:

• na duralových deskách se může objevit kondenzace;
• externí řídicí jednotka;
• mnoho faktorů a nuancí práce je odhaleno experimentálně během používání;
• malá oblast použití.

Výpočet nákladů na vybudování základního chladicího systému pro lednici a klimatizaci:

Jméno	Jednotka přeměna	množství	Jednotková cena/rub.	St., rub.
TEM TES1-12712 (40X40), 106 wattů	ks	1	600	600
Ventilátor RQA 12025HSL 110VAC	ks	2	150	300
Dural 3 mm	ks	1	300	300
DC napájecí zdroj	ks	1	300	300
Termostat TAM-133-1m	ks	1	250	250
Radiátor HS 036-100	ks	1	220	220
Dráty, tepelná pasta, spojovací materiál, pájka	-	-	300	300
Celkový				2270

V zásadě se jedná o hotovou vestavěnou klimatizaci, která může být instalována v kabině automobilu, traktoru, v uzavřeném krytu nebo bezpečnostní kabině. Jen je třeba myslet na konstruktivní ochranu před srážkami.

Výkonová rezerva modulu TEC1-12712 je poměrně velká. Amplituda teploty na stranách prvku může dosáhnout 50 stupňů. Při pokojové teplotě +27 °C a při použití systému kapalinového chlazení (radiátor + ventilátor) dosáhnete na výstupu impozantních mínus 25 °C! To vám umožní vytvářet bezkompresorové a tiché mrazničky i doma.

Kde jinde se termoelektrické moduly používají?

Peltier-Seebeckův efekt je znám již od 40. let 19. století. Aktivně se využívá dodnes, díky stálosti fyzikálních zákonů. Vždy se najde místo pro termoelektrický modul tam, kde je přebytek energie nebo kde je potřeba rychle a tiše provést výměnu tepla.

Hlavní aplikace termoelektrických modulů:

1. Chlazení čipu. Ventilátory jako hlavní výměník tepla se stávají minulostí. Nahrazují je kompaktní, tiché a téměř věčné TEM.
2. Strojírenství. I nejmodernější spalovací motor vypouští výfukové plyny ze spalovacího prostoru. Inženýři využívají jejich vysokou teplotu k výrobě dodatečné energie pomocí Peltierových prvků. Nashromážděná energie se vrací zpět do motorových systémů, ale ve formě stejnosměrného proudu, což šetří palivo.
3. Domácí spotřebiče. Vše popsané výše plus většina domácích spotřebičů, které fungují pro chlazení nebo topení (kromě kompresorových chladniček).

A poslední malé tajemství. Náš modul má téměř zázračnou vlastnost – reverzibilitu. To znamená, že při přepólování stejnosměrného proudu na vodičích modulu (pomocí spínače) si horké a studené povrchy vymění místo. Chladič se promění v ohřívač, lednička v tepelnou komoru (inkubátor) a klimatizace v ohřívač ventilátoru s nízkým výkonem. Chcete-li to provést, nemusíte měnit obvod zařízení. Stačí změnit polaritu.

Tento princip je využíván v zařízení zvaném rekuperátor. Jedná se o box sestávající ze dvou izolovaných komor, které spolu komunikují pomocí ventilátorů. Pomocí Peltierových modulů se studený vzduch z ulice ohřívá energií získanou z ohřátého vzduchu, který je odváděn z místnosti. Zařízení vám umožní ušetřit na vytápění vašeho domova.

Vitalij Dolbinov, rmnt.ru

Termočlánek (Peltierův modul) funguje na opačném principu termočlánku - vznik teplotního rozdílu při protékání elektrického proudu.

Jak funguje Peltierův prvek?

Poměrně jednoduché je použití Peltierova modulu, jehož principem je uvolňovat nebo absorbovat teplo v okamžiku kontaktu různých materiálů, když jím prochází energetický tok elektronů před a po kontaktu. Pokud je na výstupu méně, znamená to, že se tam vytváří teplo. Když jsou elektrony v kontaktu inhibovány elektrickým polem, přenášejí kinetickou energii do krystalové mřížky a zahřívají ji. Pokud se zrychlí, teplo se absorbuje. K tomu dochází díky tomu, že část energie se odebírá z krystalové mřížky a ta se ochlazuje.

Tento jev je do značné míry vlastní polovodičům, což se vysvětluje velkým rozdílem v nábojích.

Peltierův modul, jehož aplikace je tématem našeho přehledu, se používá při vytváření termoelektrických chladicích zařízení (TEC). Nejjednodušší z nich se skládá ze dvou polovodičů typu p a n zapojených do série přes měděné kontakty.

Pokud se elektrony přesunou z polovodiče "p" do "n", na prvním spojení s kovovým můstkem se rekombinují a uvolňují energii. Další přechod z polovodiče "p" na měděný vodič je doprovázen "protahováním" elektronů kontaktem elektrickým polem. Tento proces vede k absorpci energie a ochlazování oblasti kolem kontaktu. Procesy probíhají podobným způsobem na následujících přechodech.

Umístěním vyhřívaných a chlazených kontaktů do různých rovnoběžných rovin bude dosaženo praktické implementace metody. Polovodiče jsou vyrobeny ze selenu, vizmutu, antimonu nebo teluru. Peltierův modul obsahuje velké množství termočlánků umístěných mezi keramickými deskami z nitridu hliníku nebo oxidu hliníku.

Faktory ovlivňující účinnost TEM

• Síla proudu.
• Počet termočlánků (až několik stovek).
• Druhy polovodičů.
• Rychlost chlazení.

Větších hodnot zatím nebylo dosaženo kvůli nízké účinnosti (5-8 %) a vysoké ceně. Pro úspěšnou práci TEM je nutné zajistit efektivní odvod tepla z ohřívané strany. To vytváří potíže při praktické implementaci metody. Pokud je polarita obrácená, studená a horká strana se navzájem obrátí.

Výhody a nevýhody modulů

Potřeba TEM vznikla s příchodem elektronických zařízení vyžadujících miniaturní chladicí systémy. Výhody modulů jsou následující:

• kompaktnost;
• žádné pohyblivé spoje;
• Peltierův modul má reverzibilní princip činnosti při změně polarity;
• jednoduchost kaskádových zapojení pro zvýšení výkonu.

Hlavní nevýhodou modulu je nízká účinnost. To se projevuje vysokou spotřebou energie pro dosažení požadovaného chladicího efektu. Navíc má vysokou cenu.

Aplikace TEM

Peltierův modul se používá především pro chlazení mikroobvodů a malých dílů. Bylo zahájeno chlazení prvků vojenské techniky:

• mikroobvody;
• infračervené detektory;
• laserové prvky;
• krystalové oscilátory.

Peltierův termoelektrický modul se postupně začal používat v domácích spotřebičích: k výrobě ledniček, klimatizací, generátorů a termostatů. Jeho hlavním účelem je chlazení malých předmětů.

Chlazení CPU

Hlavní součásti počítačů se neustále zdokonalují, což vede ke zvýšení tvorby tepla. Společně s nimi jsou vyvíjeny chladicí systémy využívající inovativní technologie a moderní ovládání. Peltierův modul našel v této oblasti uplatnění především v chladicích mikroobvodech a dalších rádiových součástkách. Tradiční chladiče si již neporadí s nuceným přetaktováním režimů mikroprocesorů. A zvýšení frekvence procesorů umožňuje zvýšit jejich výkon.

Zvýšení otáček ventilátoru má za následek značný hluk. To je eliminováno použitím Peltierova modulu v kombinovaném chladicím systému. Přední společnosti si tak rychle osvojily výrobu účinných chladicích systémů, které začaly být velmi žádané.

Teplo je obvykle odváděno z procesorů chladiči. Proud vzduchu může být nasáván zvenčí nebo přicházet zevnitř systémové jednotky. Hlavním problémem je, že teplota vzduchu je někdy nedostatečná pro odvod tepla. Proto se TEM začaly používat k chlazení proudu vzduchu vstupujícího do systémové jednotky, čímž se zvýšila účinnost přenosu tepla. Vestavěná klimatizace je tedy pomocníkem tradičního systému chlazení počítače.

Na obou stranách modulu jsou připevněny hliníkové radiátory. Ze strany studené desky je do procesoru pumpován chladicí vzduch. Poté, co odebere teplo, jej další ventilátor vyfoukne přes chladič horké desky modulu.

Moderní TEM je řízen elektronickým zařízením s teplotním čidlem, kde stupeň chlazení je úměrný zahřívání procesoru.

Určité problémy způsobuje také aktivace chlazení procesoru.

1. Jednoduché chladicí moduly Peltier jsou určeny pro nepřetržitý provoz. Nižší spotřeba také snižuje odvod tepla, který může způsobit přechlazení čipu a následné zamrznutí procesoru.
2. Pokud není provoz chladničky a chladničky správně sladěn, může se stát, že se chladnička přepne do režimu vytápění místo chlazení. Přídavný zdroj tepla způsobí přehřátí procesoru.

Moderní procesory tedy vyžadují pokročilé technologie chlazení, které řídí chod samotných modulů. K takovým změnám provozních režimů nedochází u grafických karet, které také vyžadují intenzivní chlazení. Proto je pro ně TEM ideální.

Autochladnička pro kutily

V polovině minulého století se domácí průmysl snažil ovládnout výrobu malých ledniček založených na Peltierově jevu. Stávající technologie té doby to neumožňovaly. Nyní je limitujícím faktorem především vysoká cena, ale pokusy pokračují a úspěch se již dostavil.

Široká výroba termoelektrických zařízení vám umožňuje vytvořit malou ledničku s vlastními rukama, vhodnou pro použití v automobilech. Jeho základem je „sendvič“, který se vyrábí následovně.

1. Na horní radiátor se nanese vrstva teplovodivé pasty typu KPT-8 a z jedné strany keramického povrchu se přilepí Peltierův modul.
2. Podobně je k němu ze spodní strany připevněn další radiátor určený pro umístění do komory chladničky.
3. Celé zařízení je pevně slisováno a sušeno po dobu 4-5 hodin.
4. Chladiče jsou instalovány na obou radiátorech: horní odvádí teplo a spodní vyrovnává teplotu v komoře chladničky.

Tělo chladničky je vyrobeno s tepelně izolačním těsněním uvnitř. Je důležité, aby se těsně uzavřel. K tomu můžete použít běžnou plastovou krabici na nářadí.

Napájení 12V je napájeno ze systému vozidla. Lze jej vyrobit i ze sítě 220 V AC, s napájecím zdrojem. Používá se nejjednodušší převodní obvod AC na DC. Obsahuje usměrňovací můstek a kondenzátor vyhlazující zvlnění. Je důležité, aby na výstupu nepřesáhly 5% jmenovité hodnoty, jinak se snižuje účinnost zařízení. Modul má dva výstupy z barevných vodičů. „Plus“ je vždy spojeno s červenou a „mínus“ s černou barvou.

Výkon TEM musí odpovídat objemu krabice. První 3 číslice označení udávají počet párů polovodičových mikroprvků uvnitř modulu (49-127 nebo více). vyjádřeno posledními dvěma číslicemi označení (od 3 do 15 A). Pokud výkon nestačí, musíte na radiátory nalepit další modul.

Věnovat pozornost! Pokud proud překročí výkon prvku, zahřeje se na obou stranách a rychle selže.

Peltierův modul: generátor elektrické energie

TEM lze použít k výrobě elektřiny. K tomu je nutné vytvořit teplotní rozdíl mezi deskami a termočlánky umístěné mezi nimi budou generovat elektrický proud.

Pro praktické použití potřebujete TEM alespoň 5 V. Poté jej můžete použít k nabíjení mobilního telefonu. Vzhledem k nízké účinnosti Peltierova modulu bude zapotřebí DC-DC boost měnič. K sestavení generátoru budete potřebovat:

• 2 Peltierovy moduly TEC1-12705 s rozměrem desky 40x40 mm;
• převodník EK-1674;
• hliníkové desky o tloušťce 3 mm;
• vodní pánev;
• tepelně odolné lepidlo.

Dva moduly jsou umístěny mezi desky s lepidlem a poté je celá konstrukce připevněna ke dnu pánve. Pokud jej naplníte vodou a zapálíte, získáte požadovaný teplotní rozdíl, který vytváří EMF řádově 1,5 V. Připojením modulů k boost měniči můžete zvýšit napětí na 5 V, což je nutné k nabití baterie telefonu.

Čím větší je teplotní rozdíl mezi vodou a nižší vyhřívanou deskou, tím je generátor účinnější. Proto se musíme snažit snížit ohřev vody různými způsoby: nechat ji běžet, častěji ji nahrazovat čerstvou vodou atd. Účinným způsobem, jak zvýšit teplotní rozdíl, je kaskádování modulů, kdy jsou vrstveny jeden navrch toho druhého. Zvětšení celkových rozměrů zařízení umožňuje umístit více prvků mezi desky a tím zvýšit celkový výkon.

Výkon generátoru bude dostatečný pro nabíjení malých baterií, provoz LED lamp nebo rádia. Věnovat pozornost! K vytvoření tepelných generátorů budete potřebovat moduly schopné provozu při 300-400 0 C! Zbytek je vhodný pouze pro zkušební testování.

Na rozdíl od jiných prostředků alternativní výroby elektřiny mohou fungovat za jízdy, pokud vytvoříte něco jako katalytické topení.

Domácí Peltierovy moduly

TEM vlastní výroby se na našem trhu objevily teprve nedávno. Jsou vysoce spolehlivé a mají dobrý výkon. Modul Peltier, který je velmi žádaný, má rozměry 40x40 mm. Je určen pro maximální proud 6 A a napětí do 15 V.

Domácí Peltierův modul lze pořídit za nízkou cenu. Při výkonu 85 W vytváří teplotní rozdíl 60 0 C. Spolu s chladičem dokáže ochránit procesor před přehřátím se ztrátovým výkonem 40 W.

Charakteristika modulů předních společností

Zahraniční zařízení jsou na trhu prezentována ve větší rozmanitosti. Pro ochranu procesorů od předních společností je jako chladnička použit modul PAX56B Peltier, jehož cena včetně ventilátoru je 35 dolarů.

S rozměry 30x30 mm udržuje teplotu procesoru maximálně 63 0 C s výkonem 25 W. Pro napájení stačí napětí 5 V a proud nepřesahuje 1,5 A.

Modul PA6EXB Peltier se dobře hodí pro chlazení procesoru, poskytuje normální teplotní podmínky se ztrátovým výkonem 40 W. Plocha jeho modulu je 40x40 mm a proudový odběr až 8 A. Kromě působivých rozměrů - 60x60x52,5 mm (včetně ventilátoru) - vyžaduje zařízení kolem sebe volný prostor. Jeho cena je 65 dolarů.

Při použití Peltierova modulu musí jeho technické vlastnosti odpovídat potřebám chlazených zařízení. Je nepřijatelné, aby jejich teplota byla příliš nízká. To může vést ke kondenzaci vlhkosti, která může být škodlivá pro elektroniku.

Moduly pro výrobu generátorů, jako jsou, se vyznačují vyšším výkonem - 72 W a 108 W, resp. Vyznačují se značkami, které jsou vždy aplikovány na horkou stranu. Maximální přípustná teplota horké strany je 150-160 0 C. Čím větší je teplotní rozdíl mezi deskami, tím vyšší je výstupní napětí. Zařízení pracuje při maximálním teplotním rozdílu 600 0 C.

Peltierův modul si můžete koupit levně – asi 10 dolarů nebo méně za kus, pokud se pořádně podíváte. Poměrně často prodejci výrazně zvyšují ceny, ale můžete je najít několikanásobně levněji, pokud je koupíte ve výprodeji.

Závěr

Peltierův efekt nyní našel uplatnění při vytváření malých ledniček nezbytných pro moderní technologie. Reverzibilita procesu umožňuje vyrábět mikroelektrárny, které jsou žádané pro nabíjení baterií elektronických zařízení.

Na rozdíl od jiných prostředků alternativní výroby energie mohou fungovat za jízdy, pokud je nainstalováno katalytické topení.