Разновидности популярных модулей Пельтье

Элемент Пельтье

В настоящий момент сложно найти человека, не пользующегося теми или иными видами холодильного оборудования, будь то стационарный холодильник, имеющийся на кухне практически у каждого или же переносной вариант сумки, в которой можно безбоязненно хранить и переносить продукты без опасения их порчи. И хотя обычный холодильник и сумка, сохраняющая холод, выполняют одни и те же функции, их устройство имеет принципиальные отличия.

Обычные стационарные холодильники, широко распространенные как в квартирах, так и частных домах, имеют охлаждающую систему на основе циркуляции хладагента от испарителя к конденсатору и обратно и оснащены одним или двумя компрессорами. В отличие от стандартной конструкции, работа сумки-холодильника основывается на совершенно иных принципах, в них отсутствуют как основные элементы, так и фреон, обеспечивающий отбор тепла. В сумках-холодильниках процесс охлаждения базируется на принципе работы элемента Пельтье, который и обеспечивает требуемое охлаждение. Данный элемент возможно собрать своими руками, для чего следует более подробно остановиться на принципе его работы и основных характеристиках.

Что такое принцип Пельтье

Данный принцип был открыт почти 200 лет назад французом Жаном Пельтье, который обнаружил, что при протекании I по разнородным проводам происходит процесс выделения тепла, а при смене полярности – охлаждения, при этом наибольшее проявление подобного эффекта наблюдалось у полупроводниковых материалов. Причем тогда же была замечена обратимость процесса, при которой при возможности поддержании разных температур на проводах в месте контакта, в них фиксировалось появление электрического тока. Данный эффект также был очень важен и получил название эффекта Зеебека.

Чтобы попытаться объяснить данный эффект с точки зрения физики процесса, необходимо обратиться к классической теории электротехники и движению электротока в зависимости от разности потенциалов. При прикосновении двух разнородных проводов неизбежно возникает разность потенциалов U, создающая определенное поле. Таким образом, если по проводу пропустить I, то созданное разностью U поле будет или способствовать протеканию тока, или являться препятствием к этому.

Если полярность поля и тока противоположны, то необходимо найти дополнительную энергию, способствующую протеканию I, за счет чего контакт будет греться. Если поле и I однонаправлены, то ток поддерживается самим полем. Для этого требуется энергия, забираемая у вещества, что и вызывает охлаждение контакта. Таким образом, то количество тепла, которое выделяется или забирается при прохождении I, будет прямо пропорционально величине заряда, проходящего через место соединения проводников и рассчитывается как произведение I на время его прохождения.

Данное произведение называется коэффициентом Пельтье, величина которого зависит от материала и температур проводников, соприкасающихся между собой.

Если ранее эффект Пельтье не нашел себе широкого применения за неимением необходимых материалов, то на сегодняшний день, с учетом развития новых технологий, найдены типы проводников, которые способны обеспечить максимальный термоэлектрический эффект.

Устройство и принцип работы элемента Пельтье

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

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

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

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

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

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

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

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

p-n – нагрев.
n-p – охлаждение.

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

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

Технические характеристики элементов Пельтье

Всем термоэлектрическим модулям с элементом Пельтье присущи следующие характеристики:

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

Каким образом маркируются элементы Пельтье

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

Две первые буквы означают непосредственно тип элемента, а именно – ТЕ – термоэлемент.
Третья буква относится к размеру модуля и может быть выполнена в двух вариантах:
- С – classic, стандартный размер термоэлемента.
- S – small, маленький размер.
Иногда в маркировку после всех цифр добавляется значение, относящееся к размерам модуля.

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

Области применения элементов Пельтье

Хотя все подобные батареи, основанные на элементах Пельтье, имеют COP, равный 0,3-0,5, что фактически соответствует его КПД, они активно применяются в измерительных системах, разного рода вычислительной технике, а также как элемент многих бытовых приборов, а именно:
- Как составляющие холодильных устройств (мобильных автохолодильниках).
- В вычислительной технике, в видеокартах.
- В бытовых кулерах для воды.
- Как генератор электроэнергии, при этом одна из сторон элемента должна принудительно нагреваться.
- Во всех видах цифровых устройств, где крайне важно качественное охлаждение (видеокамеры, микросхемы, приборы для осуществления связи).
- В системах кондиционирования.
- Для телескопической техники, которой необходимо охлаждение.
- Как составляющий элемент приборов ночного видения.
Некоторые примеры применения модулей на элементах Пельтье будут рассмотрены ниже.

Мобильные холодильные установки, автохолодильники на элементах Пельтье

Несмотря на то, что степень охлаждения, реализуемая с помощью элементов Пельтье, сильно уступает холодильникам компрессорного и абсорбционного типа, они активно применяются в качестве мобильных установок охлаждения, так как имеют следующие преимущества:
- Простота конструктивного исполнения.
- Нечувствительность к различному роду вибраций.
- Наличие только статических деталей (исключение составляет система вентиляции, обеспечивающая охлаждение радиатора).
- Бесшумность работы.
- Компактность всего холодильника.
- Отсутствие необходимости выравнивания всего устройства относительно одной, определенной поверхности.
- Длительность эксплуатации без потери всех своих основных качеств.
- Экономичность энергопотребления.
Учитывая все вышесказанное, холодильники на элементам Пельтье идеально подходят как мобильные устройства.

Использование элемента Пельтье в качестве генератора

Как уже указывалось выше, термоэлектрические батареи могут быть использованы как генераторы электроэнергии при условии, что температуру одной из сторон необходимо повышать.

Согласно эффекту Зеебека, при увеличении DT сторон модуля, будет также увеличиваться протекаемый I. Однако, максимально повышать DTmax не представляется возможным, так как слишком высокий уровень температур приведет к расплавлению припоя, что послужит причиной поломки всего устройства (стандартная максимальная температура нагрева обычных термоэлектрических модулей не превышает 150C).

Данную проблему частично можно решить при помощи тугоплавких припоев, которые допускают Т нагрева до 300C. С учетом низкого COP, подобные конструкции применимы лишь в тех случаях, когда использование более эффективных генераторов не представляется возможным, а именно как и в случае с холодильником, для мобильных устройств.

Подобные термогенераторы с мощностью от 25 до 10 Вт прекрасно подойдут жителям отдаленных мест, в длительных походах или при проведении геологоразведочных работ.

Более мощные генераторы уже используют в качестве стационарных устройств и применяют для запитки ГРУ, приборов метеостанций и подобных установок.

Термоэлектрические модули, используемые в вычислительной технике

В последнее время термоэлектрические модули стали активно применяться для охлаждения центрального процессора CPU в персональных компьютерах.

Однако, рентабельность подобного применения батарей на элементах Пельтье достаточно мала по следующим причинам:
1. Так как за счет небольшого значения коэффициента COP для эффективного охлаждения требуется запитывать устройство от достаточно мощного блока питания, это экономически невыгодно.
2. Процессор в компьютере греется именно в тех случаях, когда ему приходится обрабатывать большой объем информации, в случаях, когда запущены или работают одновременно несколько программ. В ситуациях, когда компьютер просто включен или, к примеру, экран находится в спящем режиме, термоэлектрический модуль способен понизить температуру процессора до точки росы, при которой в любом случае начнется выпадение конденсата. А любая повышенная влажность, как известно, крайне губительна для электроники.
Однако, при использовании гибридных систем охлаждения, при которых термоэлектрические модули работают совместно с другими видами, используемыми для понижения температуры, применение батарей на элементах Пельтье считается оправданным.

Системы кондиционирования на термоэлектрических модулях

Согласно принципу действия, охлаждение при помощи термомодулей на элементах Пельтье вполне способно заменить мобильные системы климат-контроля в автомобилях. Однако, принимая во внимание низкий коэффициент COP, для понижения температуры в салоне автомобиля потребуется значительно большее количество электроэнергии, что экономически не рентабельно.

С учетом того, что подобная автомобильная система климат-контроля будет запитываться от установленного в машине генератора, его мощности будет явно недостаточно, потребуется установка другого, более мощного агрегата. Однако с заменой штатного генератора на более мощный значительно вырастет расход бензина, что вряд ли устроит любого автомобилиста.

Таким образом, применение охладителя на основе элементов Пельтье для систем кондиционирования в настоящее время не нашло должного применения.

Применение элементов Пельтье в кулерах

Во многих моделях современных кулеров, устанавливаемых в различных помещениях, охлаждение воды происходит посредством термоэлектрического модуля.

При этом, конструкция всего устройства оказывается значительно проще и надежнее устройств компрессорного типа, и включает в себя следующие элементы:
- Непосредственно модуль охлаждения на термоэлектрических элементах.
- Управляющий контроллер.
- Термостат.
- Нагревательный элемент.
Несмотря на то, что подобная схема выполнения диспенсеров для воды применяется повсеместно, она также имеет свои недостатки:
- Минимальная температура холодной воды составляет всего лишь 10-12°C.
- Длительное время понижения температуры до требуемых величин.
- Данный вид кулера реагирует на температуру окружающей среды, при этом при повышенной Т в помещении он не сможет охладить воду до требуемого уровня.
- С учетом того, что в конструкции модуля присутствует вентилятор, его нельзя устанавливать в промышленных цехах с высоким уровнем пыли, так как это приведет к поломке последнего.
Термоэлектрические модули Пельтье в осушителях воздуха

Если в кондиционерах применение охлаждающих модулей на элементах Пельтье не рентабельно, то в компактных осушителях воздуха они нашли широкое применение, так как способны понижать температуру до точки росы. При этом происходит выпадение конденсата на специально предназначенном для этого элементе, который затем стекает в резервуар.

Даже несмотря на то, что СОР устройства (КПД) очень невелик, его достаточно, чтобы использовать подобный прибор в качестве осушителя воздуха для небольших помещений.

Работа с элементами Пельтье

Подключение термоэлектрического модуля

Подключение модуля на элементах Пельтье не представляет собой никаких сложностей, так как для этого на два выходящих конца достаточно подать U DC с источника питания ИП. При этом стоит обратить внимание на номинальное напряжение, указанное в техпаспорте.

На красный конец провода подается «+», на черный – «-».

Как уже указывалось выше, при ошибочном подключении начинает нагреваться другая поверхность.

Проверка элемента Пельтье

С учетом того, что термоэлектрический модуль должен нагреваться с одной стороны и охлаждаться с другой, самый простой вариант протестировать данное устройство – подать на него необходимое напряжение с ИП. При этом, одна сторона у него станет теплой, а вторая – холодной.

При отсутствии ИП, можно провести проверку подручными средствами, а именно:
- Взять обычный мультиметр и подключить его клеммы к выводам термоэлектрического модуля.
- Зажечь пламя от спички или зажигалки и поднести к одной из пластин, прогрев ее.
- Так как согласно закону Зеебека, разница температур вызовет протекание I, это отразится на экране прибора.
Важно! Шкала показаний мультиметра должна быть выставлена на замер показаний по току.

Сборка элемента Пельтье собственными силами

Для тех, кто желает изготовить элемент Пельтье дома, своими руками, стоит отметить, что это практически невозможно. Подобные термоэлектрические модули легко можно приобрести в соответствующих магазинах радиодеталей, а их стоимость настолько невысока, что собирать его вручную становится просто невыгодным.

Однако некоторые из подобных устройств на основе элемента Пельтье можно попробовать собрать самостоятельно. К примеру, портативный генератор на термоэлектрическом модуле сможет пригодиться в походах, поездках или долгих путешествиях.

Для сборки генератора понадобится элемент ИМС L6920:

Как видно из указанной схемы при входном U от 0,8 до 5,5В на выходных клеммах будет присутствовать U=5В. При использовании термоэлектрического модуля, можно ограничить его Т посредством применения походного котелка с кипятком, за счет чего по закону Зеебека на выходе пойдет ток, что и обеспечит имеющееся напряжение в 5 В.

Элемент Пельтье своими руками посредством диодов

Теоретически изготовить подобный элемент Пельтье на диодах вполне возможно.

С учетом того, что с физической точки зрения работа термоэлектрического модуля заключается в разности проводимостей материалов p-n и n-p, то можно использовать обычные диоды, которые таковыми и являются. Однако, если данная схема будет работать при нагреве, то понизить температуру посредством диодов не представляется возможным.

Диоды можно использовать как датчик температуры, причем при включении их в цепь в обратном направлении переход откроется, в результате чего I также пойдет в обратном направлении. Однако работать в качестве генератора данная схема не сможет.

Таким образом, посредством элемента Пельтье можно осуществить сборку различных компактных приборов, что будет являться наиболее доступным и дешевым вариантом.

Разновидности популярных модулей Пельтье

На площадках современных интернет-магазинов можно встретить самые разные термоэлектрические модули Пельтье. Отличаются они друг от друга температурными характеристиками, электрическими параметрами, размером, а также количеством термопар, установленных внутри модуля. Данные модули применяются как в портативных холодильниках и кондиционерах, так и в любительских поделках.

Стоит отметить, что модули Пельтье бывают однослойными и многослойными, так что вопрос монтажа решается достаточно свободно. В рамках данной статьи мы рассмотрим несколько видов наиболее распространенных термоэлектрических модулей Пельтье, разберемся в их устройстве и сравним параметры.

Здесь изображен типичный однослойный термоэлектрический модуль Пельтье. Две керамические пластины (из оксида алюминия) толщиной менее 1 мм установлены в верхней и в нижней части модуля. Они, подобно печатной плате, служат опорой для внутренних термопар и каркасом для всего модуля.

Керамические пластины обладают высокой теплопроводностью, отличаются прочностью и огнестойкостью. К данным пластинам приклеены медные подложки, к которым припаяны полупроводниковые термопары, соединенные последовательно.

Пайка полупроводниковых термопар, при промышленном производстве модулей Пельтье, осуществляется легкоплавким припоем на специальном оборудовании при температуре в районе 145 ºC, так как полупроводниковые элементы не допускают перегрева. В результате модули получаются неразборными, а по краям обычно наносится силиконовый герметик.

Если любопытства ради все же разобрать такой модуль, то можно четко разглядеть кубики разнородных полупроводников (n-типа и p-типа), припаянные к медным подложкам, и соединенные друг с другом в последовательную цепь змейкой. Легко заметить, что сначала на медные подложки был нанесен легкоплавкий припой, а затем установлены составные части термопар.

В таком исполнении как на приведенном фото, получается 127 p-n- и 127 n-p-переходов, причем все n-p-переходы (для направления тока от плюса к минусу) расположены с одной стороны модуля, а все p-n-переходы — с другой его стороны.

На тех медных шинках где ток идет в направлении n-p-перехода, теплота поглощается (происходит интенсивное охлаждение данной стороны модуля), а там где ток идет в направлении p-n-перехода — эта же (теоретически) теплота выделяется. Таким образом модуль Пельтье переносит тепло с одной керамической пластины — на противоположную.

Наиболее популярный однослойный модуль TEC1-12705, стоимостью порядка $2, пользуется особым спросом на алиэкспресс. Габаритные размеры модуля 40 на 40 мм, толщина 3,8 мм. 127 соединенных последовательно термопар дают при температуре окружающей среды в 25ºC внутреннее сопротивление модуля от 2,5 до 2,8 Ом.

Рабочий ток устройства составляет от 4,3 до 4,6 А при питании номинальным напряжением 12 вольт. Максимально же допустимое напряжение составляет 15,4 вольта при критическом токе в 5,8 А. Предельно достижимая разница температур составляет 65 ºC, а максимальная холодильная мощность 42 Вт. Диапазон рабочих температур модуля — от -55 до 83 ºC.

А вот и двухслойный модуль TEC2-25408, состоящий по сути из двух модулей TEC1-12704, соединенных параллельно, но имеющий размеры 40 на 40 мм и толщину 8 мм. Такой двухслойный охладитель способен дать до 70 Вт холодильной мощности при потреблении 96 Вт электрической мощности.

Его внутреннее сопротивление в выключенном состоянии равно примерно 1,5 Ом. Предельно достижимая разница температур в рабочем режиме составляет 65 ºC. Очевидно, при одной и той же предельной разнице температур с модулем TEC1-12705, двухслойный модуль TEC2-25408 будет охлаждать (перекачивать тепло) в полтора раза быстрее.

Далее представлен четырехслойный модуль TEC4-24603 толщиной 13,6 мм и шириной 40 мм, рассчитанный на напряжение 14,6 вольт и номинальный ток в 3 А. При потребляемой электрической мощности в 44 Вт, данный модуль способен обеспечить холодильную мощность 6,8 Вт и разницу температур до 107 ºC.

Составные элементы включены здесь последовательно. Как и любой модуль Пельтье, данная четырехслойная модель не допускает применения без радиатора более секунды.

Наконец, шестислойный модуль Пельтье TEC6-60506, рассчитанный на номинальное напряжение 30 вольт и ток 6 А. При ширине в 62 мм и толщиной 23 мм, данный модуль электрической мощностью 180 Вт способен обеспечить разницу температур до 100 °C с холодильной мощностью в 10 Вт. Модуль такого типа применим в установках, предназначенных для глубокой заморозки.

Андрей Повный, редактор Электрик Инфо

Профессиональное развитие начинается здесь: Телеграмм канал Домашняя электрика

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

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

Краткая теория

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

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

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

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

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

Пробуем

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

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

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

Выкатываем тяжелую артиллерию

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

Выводы и видео на сладкое

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

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

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

Что такое элемент Пельтье и как его сделать своими руками?

Краткая история открытия и обоснование физики работы.

В основе работы элемента Пельтье находится физический принцип прохождения тока через две соприкасающиеся пластины, изготовленные из материалов с различными уровнями энергии тока прохождения, или другими словами — полупроводниками отличающихся типов. В месте их соединения будет наблюдаться нагрев при подаче тока в одну сторону, и понижение температуры при движении его в обратную.

Открыт эффект был еще в 18 веке Жан-Шарлем Пельтье, который получил его случайно, соединив контакты из висмута и сурьмы от источника тока. Капля воды, находящаяся в точке соприкосновения, превратилась в лед, что и вызвало интерес исследователя. Практическое применение открытие не получило по причине слабой распространенности электротехники в указанный период времени. Вспомнили о нем уже позднее, в век развития микроэлектроники, компонентам которой нужно было миниатюрное охлаждение, желательно без жидкостей и подвижных частей (насосов, вентиляторов и прочих).

Элемент Пельтье можно создать не только из полупроводников. Но, к сожалению, эффект от использования различных проводящих металлов будет ниже, и практически полностью потеряется за счёт нагревания их в месте соприкосновения и общей теплопроводности материала.

В общем виде конструкция выглядит как набор электродов кубической формы, изготовленных из полупроводников n- и p-типа. Каждый из них соединен с противоположными проводящими контактами, а все указанные пары соединены между собой последовательно. Причем расположение элементов выполняется так, чтобы связующие металлы между сборками полупроводников одного типа, соприкасались с первой стороной устройства в общем, а второго с противоположной. Сами p- и n- кубы зачастую изготавливаются из теллурида висмута и сплава кремния с германием. Соединительные контакты обычно из меди, алюминия или железа. Здесь главное требование — хорошая теплопроводность. Количество же пар в одной конструкции не ограничивается, и чем их больше, тем эффективнее работает элемент Пельтье. При подаче напряжения на сборку одна ее сторона нагревается, вторая охлаждается.

Принципиальная схема соединений в элементе Пельтье:

Годом нахождения обратного эффекта, выражающегося в выработке тока при охлаждении и нагреве соединенных проводников из разных металлов, принято считать 1821. Открытие было сделано Т. И. Зеебеком, который уже на следующий год опубликовал его в статье, предназначенной для Прусской академии наук, с названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».

Хотя согласно его работе, система генерации действует не только при использовании полупроводников, с ними ее КПД намного выше.

Элемент Пельтье, предназначенный целям генерации тока:

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
- 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.

Зачем нужны и чем отличаются от обычного охлаждения?

К практике предлагаю перейти чуть позже, так как надо вообще вначале определиться, что могут и что не могут элементы пельтье и зачем они нужны.

Допустим есть у вас некоторый процессор, вы в силу желаний улучшения производительности или спортивного интереса начинаете его разгонять и рано или поздно сталкиваетесь с вопросом перегрева процессора. Вы покупаете более производительный кулер, температуры немного снижаются. Вы ставите ещё более производительное охлаждение, температуры ещё чуть-чуть падают. Вы переходите на водяное охлаждение с большим радиатором и температуры падают ещё на пару градусов, потом вы заменяете большой радиатор на 4 радиатора от грузовиков, которые могут рассеять сотню киловатт тепла и получаете ещё выгоду в пол градуса и начинаете подозревать, что вы делаете что-то не так.

Условное изображение графика снижения температур от улучшения охлаждения

Всякие жидкие металлы скальпирования и прочие действия помогут сдвинуть все эти графики вниз на какое-то количество градусов, но суть — не изменится.

Условный график скорректированный для случая минимальных градиентов при передачи тепла от процессора

Проблема тут в том, что мы производим охлаждение относительно температуры воздуха. И не важно обдуваем мы радиатор установленный на процессоре или радиатор к которому подаётся тепло через жидкость. И чтобы мы не обдували воздухом комнатной температуры — рано или поздно мы придём к теоретически наименьшей температуре, которая нас может не устраивать. Конечно другой вопрос, что если процессор выделяет 50 ватт тепла то мы придём к этой температуре на маленьком радиаторе, а если 300 Ватт, то на большом, но суть в том, что предел есть и для процессоров он наступает очень быстро.

Выход из этой ситуации остаётся только один — в качестве среды использовать что-то, что холоднее комнатного воздуха, иначе никак.

И тут есть разные способы. Самый технологически простой — холодная проточная вода.

Есть ещё малозатратные способы — поместить компьютер в холодильник и на обычном кулере вы получите температуры ниже, чем на 4-х радиаторах охлаждения от грузовиков.

Логичным продолжением данной идея стало избавление от холодильника, а использование только самого принципа работы, а именно то, что можно взять некий газ с низкой температурой кипения и заставлять его вскипать там где нам нужно и вскипая он будет забирать тепло.

Проблем в данном решении несколько. Во первых — использование фреона, и опасности связанные с работой с ним, а так же тот факт что одна из частей контура с фреоном находится под высоким давлением. Вторая проблема — шум компрессора, который и обеспечивает нам то самое давление.

Ну и третья — технологически это сложная система состоящая из множества собранных друг с другом элементов. Но зато можно получить целый холодильник который работает не на большую камеру, а на кусок меди который прижат к крышке процессора и этот кусок меди может быть на градусов 60 холоднее окружающего воздуха, что существенно решает вопрос ограничения комнатными температурами, но одновременно с этим создаёт проблемы с конденсатом, так как в жилых помещениях в зависимости от влажности и температуры точка росы составляет от 5 до 20 градусов. Вдобавок данные системы практически неуправляемые, то есть работать в полсилы не могут и мощность отвода тепла закладывается при проектировании самой системы.

Ну и третий глобальный метод отводить тепло относительно более холодной среды — использование модулей Пельтье, о чём далее и будет идти речь.

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:
- холодопроизводительностью (Qmax), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
- максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DTmax), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения — градусы;
- допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – Imax;
- максимальным напряжением Umax, необходимым для тока Imax, чтобы достигнуть пиковой разницы DTmax;
- 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.

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.

Достоинства элементов Пельтье

Простота конструкции, отсутствие подвижных частей и специальных навыков при построении системы, низкая стоимость в сравнении с фреоном и при этом высокая разница температур сопоставимая с фрионными чиллерами.

Минусы фрионок тут тоже есть — а именно конденсат. Но вопрос с конденсатом частично решается тем, что Модули Пельтье поддаются управлению как по напряжению, так и по току. Но не так просто как хотелось бы. Питание должно быть без пульсаций, так как все переменные составляющие питания дают нагрев, но не дают перенос тепла, то есть и без того низкая эффективность ещё сильнее падает. То есть взять «ардуину», датчик температуры и контроллер каких-нибудь двигателей с ШИМ управлением и всё подключить — не получится. Вернее получится, но работать не будет.

Можно, конечно, питать используя силовые транзисторы в режиме управления, но при управлении всё равно сопротивление транзисторов далеко не бесконечное, так что потери эффективности и необходимость отвода от транзисторов тепла будет. Но в теории управлять этим можно динамически, так чтобы все компоненты были по температуре выше точки росы. Но две проблемы, а именно сложности управления и то, что одного элемента мало — дают и выходы из данной проблемы с управлением.

Во первых есть стандартное решение в вопросе нехватки производительности чего-то одного в «холодильных» или «нагревальных» делах. А решение это — объединение нескольких элементов чего-либо в один контур с общим теплонасителем. Мы не можем поставить модули Пельтье друг на друга, но это не значит, что мы не можем поставить их рядом друг с другом и прогонять через их холодные поверхности жидкость и чтобы они все вместе в сумме эту жидкость охлаждали. Так мы можем решить проблему ограниченности максимального переноса тепла одним элементом. В данном случае тут вопрос только в количестве этих элементов. Если есть желание и возможности можно и 100 элементов объединить в один контур.

И вопрос управления становится проще, так как не надо регулировать питание а можно просто подключать нужное количество элементов. Можно для снижения дискретности ещё поставить один более слабый элемент. Допустим если будет 10 мощных отводящих по 50 Ватт и один слабый на 25, то можно варьировать отбор тепла в пределах от ноля до 525 Ватт с шагом в 25 Ватт. А включать выключать элементы можно разрывая цепи питания, допустим электромеханическими реле, что шумно, либо твердотельными, что дорого для больших токов. Либо использовать транзисторы в ключевом режиме полностью их открывая, и автоматизировав всё это дело, измеряя температуру хладагента, влажность и температуру в помещении (для вычисления температуры точки росы), избавляясь от конденсата и лишней траты энергии в простое системы, то есть частично компенсировать имеющиеся недостатки, при этом в максимальной производительности давая виртуальную более холодную среду, чем окружающий воздух.

Недостатки элементов Пельтье

Во первых элементу Пельтье требуется не бесконечное количество тепла для работы. То есть если подать слишком большой тепловой поток, то элемент Пельтье просто начнёт греться и будет нагреваться до тех пор пока не выйдет из строя.

Вторая проблема — это закон сохранения энергии. И холод, как и тень от света — это не некая отрицательная энергия — а её отсутствие в том или ином месте или меньшее её количество в сравнении с окружающим пространством. То есть тепло процессора и холод элемента пельтье не аннигилируют друг с другом. Та энергия, что нужна была для перевода электронов тоже превращается потом в тепловую и её тоже надо отводить вместе с нагревом от электрического сопротивления.

Вкупе с самим нагревом от сопротивления выходит две вещи. Во первых элементы Петльте надо очень хорошо охлаждать, а иначе они перегреются и выйдут из строя, а во вторых у них крайне низкий КПД. Вернее КПД у них близок к 0. С точки зрения электричества — это нагреватель с интересными особенностями работы, но если считать за работу не сам перенос тепла, а количество переносимого тепла, то некое подобие КПД у этой вещи появляется.

Возвращаясь к элементам Пельте их можно купить и у нас, и вроде как они получше и число полупроводниковых блоков у них на одну и ту же площадь выше, но стоят они чуть ли не в десять раз дороже китайских. Китайские элементы Пельтье называются TEC1, далее указывается число пар полупроводников, для типоразмера 40 на 40 мм это 127 пар и далее указывается ток в Амперах. Чем выше ток — тем больше тепла элемент перетаскивает с одной стороны своего корпуса на другую. Я купил 15 Амперные модули.

Что касается 15 Амперного элемента, то свои 15 Ампер он потребляет на 15 Вольтах и обещается, что выводит он в идеальных условиях при этом около 130 Ватт тепла. В реальных условиях и на 12 Вольтах цифры ожидать стоит порядка 50-60 Ватт.

Как я выше уже писал — при перенасыщении теплом элемент Пельте уходит в разнос. И для мощного процессора одно элемента мало. Именно поэтому большинство экспериментов с элементами Пельтье которые вы можете найти в интернете сводятся к тому, что либо поставив этот элемент на «селрон» он хорошо охлаждается, либо при установки на i7/i9 или 9-тысячный FX всё это дело вообще не работает. Вернее становится всё ещё хуже чем было.

Ставить элементы пельтье «бутербродом» друг на друга когда и так они перегружены тоже не имеет никакого смысла. Если один элемент не может перевести 100 Ватт, то второй ещё сильнее не сможет перевести 250 Ватт уже от первого.

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.
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.

Что можно сделать из элементов Пельтье?

Элементы Пельтье — казалось бы, давно уже не новость, однако многие не полностью представляют принцип их работы, и не знают, что можно сделать из модулей и зачем они нужны. Изобретатель Игорь Белецкий покажет несколько наглядных экспериментов, чтобы у вас сложилось понимание того, на что способны эти пластинки.

Их легко приобрести в интернете и заказать доставку по почте. Купить Пельтье лучше всего в этом китайском магазине. Есть и специальный кулер охлаждения.

На фото: Модуль Пельтье

Самый популярный модуль Пельтье TEC1-12706

Самым популярным среди практиков, увлеченных идеями свободной природной энергии и производителей технических устройств является элемент размером 40 на 40 миллиметров с маркировкой TEC1-12706. Это означает, что он состоит из 127 пар малюсеньких термоэлементов — полупроводников разного типа, которые попарно соединены при помощи медных перемычек в последовательную цепь и рассчитаны на постоянный ток до 5 А при напряжении 12 вольт.

Схема Элемента Пельтье

Некоторые думают что модули Peltier, это что-то типа солнечных панелей — ведь они такие же плоские, торчат проводки, и те и другие могут генерировать электрический ток. Увы, это не совсем так на самом деле. Чтобы понять, как функционируют загадочные пластинки, посмотрите видео И. Белецкого, описание в текстовом формате ниже.

Эффекты Пельте и Зебека — функции модуля

У этого девайса есть целых два режима работы — 1. выработка холода и тепла; 2 — генерация электрического тока.

1. Итак, знаменитый эффект Пельтье (тепло и холод). Это когда вы подводите к элементу постоянный ток и замечаете, что одна из его сторон стала теплее, а другая холоднее. Таким образом он работает как тепловой насос. Очень полезное свойство. Спору нет.

2. Но оказалось, что имеет место и обратный процесс — так называемой эффект Зебека, а именно возникновение электрического тока при установлении и поддержании определенной разности температур на сторонах самого модуля (пластинки).

Примечание. Никогда не перегревайте элементы, если хотите и далее проводить эксперимент с ними. Полупроводники в модуле спаяны припоем, температура плавления которого может лежать в пределах от восьмидесяти до двухсот градусов. А учитывая, где сегодня производится большинство этих элементов, можно только догадываться на каких соплях их спаяли.

Схема. Как создается электричество при нагреве сторон Пельтье

Вся неприятность в том, что этот элемент будет нормально работать только при эффективном охлаждении.

Тест с получением электричества

Например, мы хотим проверить эффект Зебека. Поставим сверху кружку с кипятком. Тем самым не превышено 100 градусов, допустимых по нагреву.

Наблюдаем появление напряжения. Интересно, что если изменить направление тепловой потока через модуль, то изменится направление постоянного тока. Но со временем на второй стороне благодаря теплопроводности элемента Пельтье температура тоже поднимется и напряжение, естественно, упадет.

Чтобы эффект был постоянным, нужен постоянный отвод тепла. Для этого модуль размещают на массивным радиаторое и желательно с активным охлаждением. Показатели явно лучше, как вы понимаете. Это требует дополнительных энергозатрат.

Допустим, вы хотите сделать из этого элемента походную зарядку для мобильников. Тогда на природе радиатор можно поместить в холодную воду, возможно даже проточную или ледяную, что несомненно еще лучше. Применение этих модулей зимой при хорошем дармовом минусе — наиболее перспективно.

Правда, одного элемента для зарядки телефона явно будет маловато. А вот два — это уже лучше. Естественно, если увеличить нагрев, то выходная мощность тоже возрастет. Но это очень рискованный шаг, который можно сделать только ради эксперимента. Работа такого генератора будет длиться недолго.

Теперь перейдем к эффекту Пельтье, то есть к производству холода.

Холодильник на модулях Пельте — насколько он эффективен?

Для эксперимента будет использован автомобильный холодильник. Полезный объем его 20 литров. Обратите внимание — заявленная мощность — 48 ватт при токе 4 ампера и постоянном напряжении 12 вольт. А это значит, что внутри стоит всего лишь 1 маленький элемент Пельтье. Для тех кто не в теме откроем секрет — такую же мощность имеет обычный домашний холодильник, размеры которого в разы больше. Ну да ладно, сейчас не об этом. Проверим его эффективность. Например поставим ему минимальную задачу охладить стаканчик с водой, имеющей комнатную температуру 26 градусов. Для работы холодильника будем использовать блок питания, идеально подходящий по своим параметрам. Дополнительно в цепь будем помещен ваттметр. Он будет в реальном времени отображать ток, напряжение и мощность. Но самое главное — потребление, так называемый ватт в час. Таким образом мы сможем примерно оценить энергозатраты нашего холодильника.

Включаем и видим, все прекрасно работает. Вот ток 4,29 А. Напряжение 11,15 Вольт. Мощность 47,9 Ватт. 0,1 Ватт-часов.

Пока процесс идет, проведем более наглядный эксперимент, который покажет, что же именно происходит в холодильнике. Когда подадим на элемент постоянный ток, он начнет перекачивать тепло с одной стороны на другую.

Кстати, если поменять направление тока, то изменится и направление перекачки тепла, что весьма удобно. Главное не забываем об активном охлаждении, потому что пятьдесят ватт электрической мощности нагревает элемент мгновенно. Чем эффективнее мы отведем тепло с горячий стороны, чем холоднее на другой.

Как видите, на самой поверхности модуля вода замерзает очень быстро, ну еще бы — столько энергии сжирает.

Но вернемся к нашему холодильнику. Спустя один час работы температура воздуха внутри упала до пятнадцати градусов, а у воды опустилась до 20. Удивило, что за час работы он съел четко 48 ватт. Через два часа у воздуха было 13 градусов, а у воды 17. И наконец, после трех часов работы температура воздуха остановилась на 13-ти градусах, а в стакане с водой была 15 и ниже 12 она уже не опустится. Ну так себе холодильник, учитывая что он был забит напитками не полностью. Но при этом этот монстр потребил 140 Ватт. Для домашней сети может и не много, но для автомобильного аккумулятора это уже весьма ощутимо. Поэтому здесь и стоит всего лишь один элемент. Потому что больше никакой аккумулятор просто не потянет. А это значит, что кпд такого модуля ничтожно мал — буквально считанные проценты, что опять же зависит от производителя. Такой холодильник больше напоминает хороший термос. Если бы взяли из дома холодные продукты, то он бы просто не позволил им быстро нагреться. Делать такие холодильники большими энергетически невыгодно.

В каких случаях Пельтье эффективен?

Кстати это относится и к самодельщикам, пытающихся делать на этом принципе автомобильные кондиционеры. Есть более эффективные технологии, а вот использовать элементы Пельтье для охлаждения чего-то маленького и компактного — просто идеальное решение. Есть целый спектр таких устройств, например охлаждать процессоры или микросхемы различных малогабаритных приборов. В этом скорее всего и есть самый главный плюс таких элементов. Они миниатюрны и минимальны по весу. По сравнению с теми же фотоэлементами у Пельтье минусов конечно больше, ну а самый эффект безусловно заслуживает внимания. В конце концов все зависит от решаемых задач а если энергия халявная, то высокий КПД не так уж и важен.

До скольки градусов можно охладить элемент? Об этом в отдельном видео.

Заключение

Популярные среди радиолюбителей и инженеров модули Пельтье — электронные элементы, активно использующиеся для систем охлаждения и получения электроэнергии. На их основе разрабатываются источники питания для освещения или зарядки девайсов в походных условиях, мобильные компактные холодильники для автомобилей. Существуют попытки применения для охлаждения компьютерных процессоров. Работа устройств основана на 2 механизмах: при нагреве одной стороны пластины Пельтье и охлаждении второй, вырабатывается электроток; при подаче электричества на контакты одна сторона пластины охлаждается, вторая — нагревается.

6 комментариев

А как змеевик у дистилляционного аппарата им охладить? Надоедает возня с водяными трубками, да и летом вода не слишком холодная в водопроводе? Как приспособить? Змеевик — либо это трубка из нержавейки свернутая пружиной, либо эта же трубка запаянная в кожух проводящий воду. Как исхитриться? Может змеевик в виде пружины залить в олово в прямоугольной формочке и наклеить на него элемент, а остальную поверхность теплоизолировать?

Святослав! Идея интересная, но мощность одного элемента Пельтье для охлаждения горячей воды, вызывает сомнения в его эффективности. Видимо, нужно применить батарею элементов.

Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект

Элементы Пельтье называются специальные термоэлектрические преобразователи, работающие по принципу Пельтье. (образования разности температур при подключении электрического тока, другими словами, термоэлектрический охладитель).

Что такое элемент Пельтье

Ни для кого не секрет, что электронные устройства при работе греются. Нагрев отрицательно влияет на процесс работы, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в корпус устройств встраивают специальные элементы, называющиеся по имени изобретателя из Франции – Пельтье. Это малогабаритный элемент, который может охлаждать радиодетали на платах устройств. При его установке собственными силами никаких проблем не возникнет, монтаж в схему производится обычным паяльником.

1 — Изолятор керамический
2 — Проводник n — типа
3 — Проводник p — типа
4 — Проводник медный

В ранние времена вопросы охлаждения никого не интересовали, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, при использовании электронных устройств в быту и промышленности, стали применять миниатюрные элементы Пельтье, вспомнив об эффекте французского изобретателя.

Принцип действия

Чтобы понять, как работает элемент на основе изобретения Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах. Эффект заключается в соединении двух материалов с токопроводящими свойствами, обладающими различной энергией электронов в районе проводимости. При подключении электрического тока к зоне связи, электроны получают высокую энергию, для перехода в зону с более высокой проводимости второго полупроводника. Во время поглощения энергии проводники охлаждаются. При течении тока в обратную сторону происходит обычный эффект нагревания контакта.

Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:
- Свойства металла.
- Температуры среды.
Предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Во время касания двух металлов с различной температурой, холодный электронный газ перемещается в теплый металл. Создается разность потенциалов.

На стыке контакта электроны поглощают энергию фононов и отдают ее на другой металл фононам. При смене полюсов источника тока, весь процесс будет обратного действия. Разность температур будет возрастать до того момента, пока имеются в наличии свободные электроны с большим потенциалом. При их отсутствии наступит уравновешивание температур в металлах.

Если на одну сторону пластины Пельтье установить качественный теплоотвод в виде радиатора, то вторая сторона пластины создаст более низкую температуру. Она будет ниже на несколько десятков градусов, чем окружающий воздух. Чем больше значение тока, тем сильнее будет охлаждение. При обратной полярности тока холодная и теплая сторона поменяются друг с другом.

При соединении элемента Пельтье с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Их количество может быть любым, это зависит от потребности в мощности охлаждения.

Эффективность действия эффекта Пельтье зависит от того, насколько точно выбраны свойства металлов, силы тока, протекающей по прибору, скорости отвода тепла.

Сфера использования

Чтобы применить практически элемент Пельтье, ученые произвели несколько опытов, показавших, что повышение отвода тепла достигается увеличением числа соединений 2-х материалов. Чем больше число спаев материалов, тем выше эффект. Чаще в нашей жизни такой элемент служит для охлаждения электронных устройств, уменьшения температуры в микросхемах.

Вот их некоторые области использования:
- Устройства ночного видения.
- Цифровые камеры, приборы связи, микросхемы, нуждающиеся в качественном охлаждении, для лучшего эффекта картинки.
- Телескопы с охлаждением.
- Кондиционеры.
- Точные часовые системы охлаждения кварцевых электрических генераторов.
- Холодильники.
- Кулеры для воды.
- Автомобильные холодильники.
- Видеокарты.
Элементы Пельтье часто используются в системах охлаждения, кондиционирования. Есть возможность достижения довольно низких температур, что открывает возможность применения для охлаждения оборудования с повышенным нагревом.

В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, выполняющих роль кулера. Элементы Пельтье не создают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их достоинств. Такая технология стала популярной из-за мощной отдачи тепла. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют компактные размеры, радиаторы охлаждения поддерживают определенную температуру долгое время.

Достоинством элементов является длительный срок службы, потому что они сделаны в виде монолитного корпуса, неисправности маловероятны. Простая конструкция обычного широко применяемого вида простая, состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами, изоляции из керамики.

Это небольшой перечень мест применения. Он расширяется за счет устройств бытового назначения, компьютеров, автомобилей. Можно отметить использование элементов Пельтье в охлаждении микропроцессоров с высокой производительностью. Ранее в них устанавливались только вентиляторы. Теперь, при монтаже модуля с элементами Пельтье значительно снизился шум в работе устройств.

Будут ли меняться схемы охлаждения в обычных холодильниках на схемы с использованием эффекта Пельтье? Сегодня вряд ли это возможно, так как элементы имеют низкий КПД. Стоимость их также не позволит применить их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, насколько будет развиваться это направление. Сегодня проводятся эксперименты с твердотельными растворами, аналогичными по строению и свойствам. При их использовании цена модуля охлаждения может уменьшиться.

Обратный эффект элементов Пельтье

Технология подобного вида имеет особенность с интересными фактами. Это заключается в эффекте образования электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит генератором электрической энергии, при обратном эффекте.

Такие генераторы электричества существуют пока чисто теоретически, но можно надеяться на будущее развитие этого направления. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.

Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, что подтверждается докладами и опытами исследователей и ученых. В будущем бытовая и электронная техника станет обладать совершенными инновационными возможностями. Холодильники станут бесшумными, так же, как и компьютеры. А пока модули Пельтье монтируют в разные схемы для охлаждения радиодеталей.

Преимущества и недостатки

Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:
- Компактный корпус элементов, позволяет монтировать его на плату с радиодеталями.
- Нет движущихся и трущихся частей, что повышает его срок службы.
- Позволяет соединение множества элементов в один каскад, по схеме, позволяющей уменьшать температуру очень горячих деталей.
- При смене полярности питающего напряжения элемент станет работать в обратном порядке, то есть, стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.
Недостатками можно назвать такие моменты:
- Недостаточный коэффициент действия, влияющий на увеличение подводимого тока, для достижения необходимого перепада температур.
- Довольно сложная система отведения тепла от поверхности охлаждения.
Как изготовить элементы Пельтье для холодильника

Изготовить такие элементы Пельтье можно самому быстро и просто. Для начала нужно определиться с материалом пластин. Нужно взять пластины элементов из прочной керамики, приготовить проводники в количестве больше 20 штук, для того, чтобы обеспечить наибольший перепад температур. При достаточном числе элементов КПД произойдет значительное увеличение производительности холодильника.

Большую роль играет мощность применяемого холодильника. Если он действует на жидком фреоне, то с производительностью проблем не возникнет. Пластины элементов монтируются возле испарителя, смонтированного вместе с двигателем. Для такого монтажа понадобится некоторый набор прокладок и инструмента. Таким образом, обеспечится быстрое охлаждение нижней части холодильника.

Необходима тщательная изоляция проводников, только после этого их подключают к компрессору. После окончания монтажа нужно проверить напряжение мультиметром. При нарушении работы элементов (например, короткое замыкание), сработает терморегулятор.

Другие применения термоэлектрических модулей

Эффект модуля Пельтье применяется сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда пригодится там, где необходима бесшумный и быстрый обмен теплом.

Основные места использования модулей:
- Охлаждение микропроцессоров.
- Двигатели внутреннего сгорания выпускают отработанные газы, которые ученые стали применять для образования вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Полученная таким способом энергия подается снова в мотор, в виде электричества. Это создает экономию топлива.
- В бытовых устройствах, действующих на нагревание или охлаждение.
Охлаждающий кулер может превратиться в нагреватель, а холодильник может выполнять функцию теплового шкафа, если изменить полярность постоянного тока. Это называется обратимым эффектом.

Такой принцип применяют в рекуператорах. Он состоит из бокса из двух камер. Они между собой сообщаются вентилятором. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, с помощью энергии, которая извлечена из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на отопление помещений.
Похожие записи: