- Що це таке?
- Пристрій і принцип роботи
- Технічні характеристики
- маркування
- застосування
- Як підключити?
- Як перевірити елемент Пельтьє на працездатність?
- Як зробити елемент Пельтьє своїми руками?
Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Холодильне обладнання настільки міцно увійшло в наше життя, що навіть важко уявити, як можна було без нього обходитися. Але класичні конструкції на хладагентах не підходять для мобільного використання, наприклад, в якості похідної сумки-холодильника.
Для цієї мети використовуються установки, в яких принцип роботи побудований на ефекті Пельтьє. Коротко розповімо про це явище.
Що це таке?
Під даним терміном мають на увазі термоелектричне явище, відкрите в 1834 році французьким натуралістом Жаном-Шарлем Пельтьє. Суть ефекту полягає у виділенні або поглинанні тепла в зоні, де контактують різнорідні провідники, по яких проходить електричний струм.
Відповідно до класичної теорії існує таке пояснення явища: електричний струм переносить між металами електрони, які можуть прискорювати або сповільнювати свій рух, в залежності від контактної різниці потенціалів в провідниках, зроблених з різних матеріалів. Відповідно, при збільшенні кінетичної енергії, відбувається її перетворення в теплову.
На другому провіднику спостерігається зворотний процес, що вимагає поповнення енергії, відповідно до фундаментального законом фізики. Це відбувається за рахунок теплового коливання, що викликає охолодження металу, з якого виготовлений другий провідник.
Сучасні технології дозволяють виготовити напівпровідникові елементи-модулі з максимальним термоелектричним ефектом. Має сенс коротко розповісти про їх конструкції.
Пристрій і принцип роботи
Сучасні модулі є конструкцією, що складається з двох пластин-ізоляторів (як правило, керамічних), з розташованими між ними послідовно з'єднаними термопарами. З спрощеною схемою такого елемента можна ознайомитися на представленому нижче малюнку.
позначення:
- А - контакти для підключення до джерела живлення;
- B - гаряча поверхня елемента;
- З - холодна сторона;
- D - мідні провідники;
- E - напівпровідник на основі р-переходу;
- F - напівпровідник n-типу.
Конструкція виконана таким чином, що кожна зі сторін модуля контактує або pn, або np переходами (в залежності від полярності). Контакти pn нагріваються, np - охолоджуються (див. Рис.3). Відповідно, виникає різниця температур (DT) на сторонах елементу. Для спостерігача цей ефект буде виглядати, як перенесення теплової енергії між сторонами модуля. Примітно, що зміна полярності харчування призводить до зміни гарячої і холодної поверхні.
Технічні характеристики
Характеристики термоелектричних модулів описуються наступними параметрами:
- холодопроизводительностью (Q max), ця характеристика визначається на основі максимально допустимого струму і різниці температури між сторонами модуля, вимірюється в Ватах;
- максимальним температурним перепадом між сторонами елемента (DT max), параметр наводиться для ідеальних умов, одиниця виміру - градуси;
- допустима сила струму, необхідна для забезпечення максимального температурного перепаду - I max;
- максимальною напругою U max, необхідним для струму I max, щоб досягти пікової різниці DT max;
- внутрішнім опором модуля - Resistance, вказується в Омах;
- коефіцієнтом ефективності - СОР (абревіатура від англійського - coefficient of performance), по суті це ККД пристрою, що показує відношення охолоджуючої до споживаної потужності. У недорогих елементів цей параметр знаходиться в межах 0, 3-0, 35, у більш дорогих моделей наближається до 0, 5.
маркування
Розглянемо, як розшифровується типова маркування модулів на прикладі малюнка 4.
Маркування розбивається на три значущих групи:
- Позначення елемента. Дві перші літери завжди незмінні (ТІ), говорять про те, що це термоелемент. Наступна вказує розмір, можуть бути літери «С» (стандартний) і «S» (малий). Остання цифра вказує, скільки шарів (каскадів) в елементі.
- Кількість термопар в модулі, зображеному на фото їх 127.
- Величина номінального струму в Амперах, у нас - 6 А.
Таким же чином читається маркування та інших моделей серії ТЕС1, наприклад: 12703, 12705, 12710 і т.д.
застосування
Незважаючи на досить низький ККД, термоелектричні елементи знайшли широке застосування в вимірювальної, обчислювальної, а також побутової техніки. Модулі є важливим робочим елементом наступних пристроїв:
- мобільних холодильних установок;
- невеликих генераторів для вироблення електрики;
- систем охолодження в персональних комп'ютерах;
- кулери для охолодження і нагріву води;
- осушувачі повітря і т.д.
Наведемо детальні приклади використання термоелектричних модулів.
Холодильник на елементах Пельтьє
Термоелектричні холодильні установки значно поступаються по продуктивності компресорним і абсорбційним аналогам. Але вони мають вагомі переваги, що робить доцільним їх використання за певних умов. До таких переваг можна віднести:
- простота конструкції;
- стійкість до вібрації;
- відсутність рухомих елементів (за винятком вентилятора, що обдуває радіатор);
- низький рівень шуму;
- невеликі габарити;
- можливість роботи в будь-якому положенні;
- тривалий термін служби;
- невелике споживання енергії.
Такі характеристики ідеально підходять для мобільних установок.
Елемент Пельтьє як генератор електроенергії
Термоелектричні модулі можуть працювати як генератори електроенергії, якщо одну з них сторін піддати примусовому нагріванню. Чим більше різниця температур між сторонами, тим вище сила струму, що виробляється джерелом. На жаль, максимальна температура для термогенератора обмежена, вона не може бути вище точки плавлення припою, використовуваного в модулі. Порушення цієї умови призведе до виходу елемента з ладу.
Для серійного виробництва термогенераторов використовують спеціальні модулі з тугоплавким припоєм, їх можна нагрівати до температури 300 ° С. У звичайних елементах, наприклад, ТЕС1 12715, обмеження - 150 градусів.
Оскільки ККД таких пристроїв невисокий, їх застосовують тільки в тих випадках, коли немає можливості використовувати більш ефективний джерело електричної енергії. Проте, Термогенератор на 5-10 Вт користуються попитом у туристів, геологів і жителів віддалених районів. Великі і потужні стаціонарні установки, що працюють від високотемпературного палива, використовують для живлення приладів газорозподільних вузлів, апаратури метеорологічних станцій і т.д.
Для охолодження процесора
Відносно недавно дані модулі стали використовувати в системах охолодження CPU персональних комп'ютерів. З огляду на низьку ефективність термоелементів, користь від таких конструкцій досить сумнівна. Наприклад, щоб охолодити джерело тепла потужністю 100-170 Вт (відповідає більшості сучасних моделей CPU), буде потрібно витратити 400-680 Вт, що вимагає установки потужного блоку живлення.
Другий підводний камінь - незавантажений процесор буде менше виділяти теплової енергії, і модуль може охолодити його менше точки роси. В результаті почне утворюватися конденсат, що, гарантовано, виведе з ладу електроніку.
Тим, хто зважитися створити таку систему самостійно, потрібно провести серію розрахунків по підбору потужності модуля під певну модель процесора.
Виходячи з вище сказаного, використовувати дані модулі в якості системи охолодження CPU не рентабельно, крім цього вони можуть стати причиною виходу комп'ютерної техніки з ладу.
Зовсім інакше йде справа з гібридними пристроями, де термомодуля використовуються спільно з водяним або повітряним охолодженням.
Гібридні системи охолодження довели свою ефективність, але висока вартість обмежує коло їх шанувальників.
Кондиціонер на елементах Пельтьє
Теоретично такий пристрій конструктивно буде значно простіше класичних систем клімат-контролю, але все впирається в низьку продуктивність. Одна справа - охолодити невеликий обсяг холодильної камери, інше - приміщення або салон автомобіля. Кондиціонери на термоелектричних модулях будуть більше (в 3-4 рази) споживати електроенергії, ніж обладнання, що працює на холодоагенті.
Що стосується використання в якості автомобільної системи клімат-контролю, то для роботи такого пристрою потужності штатного генератора буде недостатньо. Заміна його на більш продуктивне обладнання призведе до суттєвого витраті палива, що не рентабельно.
У тематичних форумах періодично виникають дискусії на цю тему і розглядаються різні саморобні конструкції, але повноцінного робочого прототипу поки не створено (не рахуючи кондиціонера для хом'ячка). Цілком можливо, ситуація змінитися, коли з'являться в широкому доступі модулі з більш прийнятним ККД.
Для охолодження води
Термоелектричний елемент часто використовують як охолоджувач для кулерів води. Конструкція включає в себе: охолоджуючий модуль, контролер, керований термостатом і обігрівач. Така реалізація значно простіше і дешевше компресорної схеми, крім цього, вона надійніше і простіше в експлуатації. Але є і певні недоліки:
- вода не охолоджується нижче 10-12 ° С;
- на охолодження потрібно довше часу, ніж компресорного аналогу, отже, такий кулер не підійде для офісу з великою кількістю працівників;
- пристрій чутливо до зовнішньої температури, в теплому приміщенні вода не буде охолоджуватися до мінімальної температури;
- не рекомендується установка в запилених кімнатах, оскільки може забитися вентилятор і охолоджуючий модуль вийде з ладу.
Осушувач повітря на елементах Пельтьє
На відміну від кондиціонера, реалізація осушувача повітря на термоелектричних елементах цілком можлива. Конструкція виходить досить простий і недорогий. Охолоджуючий модуль знижує температуру радіатора нижче точки роси, в результаті на ньому осідає волога, що міститься в повітрі, що проходить через пристрій. Пил, що осів вода відводиться в спеціальний накопичувач.
Незважаючи на низький ККД, в даному випадку ефективність пристрою цілком задовільна.
Як підключити?
З підключенням модуля проблем не виникне, на дроти виходів необхідно подати постійну напругу, його величина вказана в даташит елемента. Червоний дріт необхідно підключити до плюса, чорний - до мінуса. Увага! Зміна полярності міняє місцями охлаждаемую і нагрівається поверхні.
Як перевірити елемент Пельтьє на працездатність?
Найпростіший і надійний спосіб - тактильний. Необхідно підключити модуль до відповідного джерела напруги і доторкнутися до його різних сторін. У працездатного елемента одна з них буде тепліше, інша - холодніше.
Якщо відповідного джерела під рукою немає, буде потрібно мультиметр і запальничка. Процес перевірки досить простий:
- підключаємо щупи до висновків модуля;
- підносимо запалений запальничку до однієї зі сторін;
- спостерігаємо за показаннями приладу.
У робочому модулі при нагріванні однієї зі сторін генерується електричний струм, що відобразиться на табло приладу.
Як зробити елемент Пельтьє своїми руками?
Зробити саморобний модуль в домашніх умовах практично неможливо, тим більше в цьому немає сенсу, враховуючи їх відносно невисоку вартість (близько $ 4 $ 10). Але можна зібрати пристрій, який буде корисним в поході, наприклад, термоелектричний генератор.
Для стабілізації напруги необхідно зібрати простий перетворювач на мікросхемі ІМС L6920.
На вхід такого перетворювача подається напруга в діапазоні 0, 8-5, 5 В, на виході він буде видавати стабільні 5 В, що цілком достатньо для підзарядки більшості мобільних пристроїв. Якщо використовується звичайний елемент Пельтьє, необхідно обмежити робочий діапазон температури нагрівається боку 150 ° С. Щоб не обтяжувати себе відстеженням, як джерело тепла краще використовувати казанок з киплячою водою. У цьому випадку елемент гарантовано не нагріється вище температури 100 ° С.