Elementi termoelettrici. Elementi Peltier: raffreddamento e riscaldamento

Mi sono imbattuto per la prima volta negli elementi Peltier (PE) diversi anni fa mentre stavo sviluppando dispositivo di raffreddamento ad acqua nell'acquario. Oggi i dispositivi elettronici sono diventati ancora più accessibili e il campo di applicazione si è ampliato in modo significativo. Ad esempio, nei refrigeratori d'acqua, che spesso si trovano negli uffici, vengono utilizzati gli ES. Eccoli a forma di quadrato 4x4 cm (Fig. 2)Utilizzando speciale pasta termica e viti di serraggio, vengono fissati tra il radiatore di raffreddamento e il corpo del serbatoio dell'acqua, la superficie “fredda” del serbatoio. Sono comuni anche altri EP.

Riso. 2 Elemento Peltier

La base del lavoro Elemento Peltier risiede l'effetto scoperto dall'orologiaio francese Jean Peltier. Nel 1834 Peltier scoprì che quando la corrente continua scorre in un circuito costituito da conduttori diversi, il calore viene assorbito o rilasciato nei punti di contatto (giunzioni) dei conduttori (a seconda della direzione della corrente). Il grado di manifestazione di questo effetto dipende in gran parte dai materiali dei conduttori selezionati ed è proporzionale alla corrente che passa. L'elemento Peltier è reversibile. Se si applica una differenza di temperatura, la corrente scorrerà nel circuito.

La teoria classica spiega il fenomeno di Peltier con il fatto che gli elettroni trasferiti dalla corrente da un metallo all'altro vengono accelerati o decelerati dalla differenza di potenziale di contatto interno tra i metalli. Nel primo caso l'energia cinetica degli elettroni aumenta e viene poi rilasciata sotto forma di calore. Nel secondo caso, l'energia cinetica degli elettroni diminuisce e questa perdita di energia viene reintegrata a causa delle vibrazioni termiche degli atomi del secondo conduttore. Di conseguenza, si verifica il raffreddamento.

L'effetto Peltier è più pronunciato durante l'utilizzoformazione di semiconduttori (conduttività di tipo p e n). A seconda della direzione della corrente elettrica attraverso le giunzioni p-n, a causa dell'interazione delle cariche rappresentate da elettroni (n) e lacune (p), e dalla loro ricombinazione, l'energia viene assorbita o rilasciata.

Riso. 3 Effetto Peltier

Alla base del lavoro c’è l’effetto Peltier modulo termoelettrico(TEM). Un singolo elemento di un TEM è una termocoppia, costituita da un conduttore di tipo p (ramo) e un conduttore di tipo n. A connessione seriale diverse termocoppie di questo tipo, il calore (Q c) assorbito al contatto digitare n-p, evidenziato sul contatto tipo p-n(Q h). Di conseguenza, il riscaldamento (T h) o il raffreddamento (T c) avviene nella sezione del semiconduttore immediatamente adiacente alla giunzione pn(Fig.3), e tra i suoi lati si crea una differenza di temperatura (AT=T h -T c): una piastra si raffredda e l'altra si riscalda. Tradizionalmente, il lato a cui sono collegati i fili è caldo ed è raffigurato nella parte inferiore.

Riso. 4

Modulo termoelettricoè un insieme di tali termocoppie (Fig. 4),solitamente collegati tra loro in serie con la corrente e in parallelo con il flusso di calore. Le termocoppie sono posizionate tra due piastre di ceramica (Fig. 5).I rami sono saldati su cuscinetti conduttivi in ​​rame (punte), che sono fissati su speciali ceramiche termoconduttrici, ad esempio l'ossido

Riso. 5 Modulo termoelettrico Peltier

alluminio Il numero di termocoppie può variare ampiamente (da diverse unità a diverse centinaia), il che rende possibile la creazione di TEM con una potenza di raffreddamento da decimi di watt a centinaia di watt. Il tellururo di bismuto ha la più alta efficienza termoelettrica tra i materiali di uso industriale, a cui vengono aggiunti speciali additivi (selenio e antimonio) per ottenere i parametri di tipologia e conducibilità richiesti.

Riso. 6

Modulo tipico (Fig. 6)fornisce una differenza di temperatura significativa di diverse decine di gradi. Con un opportuno raffreddamento forzato della superficie riscaldante, è possibile ottenere la seconda superficie di raffreddamento valori negativi temperatura. Per aumentare la differenza di temperatura è possibile il collegamento in cascata dei moduli termoelettrici Peltier (Fig. 7)garantendo allo stesso tempo un raffreddamento sufficiente. I dispositivi di raffreddamento basati su moduli Peltier sono spesso chiamati “frigoriferi Peltier attivi” o semplicemente “raffreddatori Peltier”.

Riso. 7, collegamento in cascata dei moduli termoelettrici Peltier

L'uso dei moduli Peltier nei raffreddatori attivi li rende più efficienti dei raffreddatori standard basati su radiatori e ventole. Tuttavia, nel processo di progettazione e utilizzo dei raffreddatori con moduli Peltier, è necessario tenere conto di una serie di caratteristiche specifiche derivanti dalla progettazione dei moduli e dal loro principio di funzionamento.

Di grande importanza è la potenza del modulo Peltier, che, di norma, dipende dalle sue dimensioni. Un modulo a basso consumo non fornirà il raffreddamento necessario, il che può portare alla rottura dell'elemento protetto a causa del suo surriscaldamento. Tuttavia, anche l'uso dei moduli lo è ad alta potenza potrebbe causare un abbassamento della temperatura del radiatore di raffreddamento

Riso. 8, dispositivo di raffreddamento attivo, basato sul modulo a semiconduttore Peltier

livello di condensa di umidità dall'aria, che è pericoloso per dispositivi elettronici. I moduli Peltier durante il funzionamento si distinguono in modo comparativo un gran numero di Calore. Per questo motivo dovresti utilizzare una ventola potente come parte del frigorifero. Nella figura 8mostra un dispositivo di raffreddamento attivo che utilizza un modulo a semiconduttore Peltier.

La tensione fornita al modulo è determinata dal numero di coppie di rami nel modulo. I più comuni sono i moduli da 127 coppie, tensione massima per cui è di circa 16 V. Ma questi moduli vengono solitamente forniti con una tensione di alimentazione di 12 V, cioè circa il 75% Umax. Nella maggior parte dei casi, questa scelta della tensione di alimentazione è ottimale: consente una potenza di raffreddamento sufficiente con un'efficienza accettabile. Quando la tensione di alimentazione supera i 12 V, l'aumento della potenza di raffreddamento è trascurabile, ma il consumo energetico aumenta notevolmente. Al diminuire della tensione di alimentazione, l’efficienza aumenta perché diminuisce anche la capacità di raffreddamento, ma in modo lineare.

Tabella 1 Elemento Peltier, caratteristiche

Nota: I moduli contrassegnati con HR1 e HR2 sono caratterizzati da una maggiore affidabilità.

Per moduli con un numero diverso di coppie di rami (diverso da 127), la tensione può essere scelta secondo lo stesso principio: 75% di U max, ma è necessario tenere conto delle caratteristiche dispositivo specifico, innanzitutto, le condizioni di rimozione del calore dal lato caldo e le capacità degli alimentatori. Ad esempio si consiglia di fornire una tensione da 12 a 18 V ai moduli della serie DRIFT (199 coppie termoelettriche).

Durante il funzionamento, è importante un contatto termico affidabile tra lo scambiatore di calore e il radiatore, quindi il TEM viene protetto utilizzando pasta termicamente conduttiva (ad esempio KPT-8). Se non esiste una pasta termica speciale, è possibile utilizzare con successo agenti farmacologici acquistati in farmacia, ad esempio pasta di Lassari o pasta di zinco salicilico.

Perché il Temperatura massima sul lato caldo dell'elemento riscaldante raggiunge +80°C (nei refrigeratori ad alta temperatura da Supercool - +150°C), è importante che l'elemento elettrico venga raffreddato correttamente. La superficie calda del TEM dovrebbe essere rivolta verso il radiatore, sull'altro lato del quale è installata una ventola di raffreddamento (il flusso d'aria è diretto dal radiatore). La ventola e il TEM, secondo la polarità, sono collegati a una fonte di alimentazione, che può essere semplice come un trasformatore step-down, un raddrizzatore a diodi e un condensatore a ossido di livellamento. Ma l'ondulazione della tensione di alimentazione non deve superare il 5%, altrimenti l'efficienza del TEM diminuisce. È meglio se la ventola e il TEM sono controllati da un dispositivo elettronico basato su un comparatore e un sensore di temperatura. Non appena la temperatura dell'oggetto raffreddato supera la soglia impostata, il frigorifero e la ventola si accendono automaticamente e inizia il raffreddamento. Il grado di raffreddamento (o riscaldamento) è proporzionale alla corrente che passa attraverso il TEM, il che lo consente alta precisione regolare la temperatura dell’oggetto “servito”.

I moduli termoelettrici sono sigillati, quindi possono essere utilizzati anche in acqua. CeramicaLa superficie del TEM è lucida, i fili neri (“-”) e rossi (“+”) sono saldati alle lamelle (conduttori). Se il TEM (Fig. 2) è posizionato con i terminali rivolti verso se stesso in modo che il filo nero sia a sinistra e il filo rosso a destra, ci sarà un lato freddo in alto e un lato caldo in basso. La marcatura viene solitamente applicata sul lato caldo.

Tavolo 2

Appunti:

* - lato 1 - lato con marcature, lato 2 - lato posteriore(per quanto riguarda l'etichettatura).

** Quando il lato posteriore è stato riscaldato per 4 s con un accendino con fiamma libera che toccava la superficie della spina, ai terminali è stata registrata una corrente di 200 μA.

I tipi più popolari di moduli Peltier sono i moduli a stadio singolo massima potenza fino a 65 W (12 V) e 172 W (24 V). Le designazioni dei moduli sono decifrate come segue: il primo numero è il numero di termocoppie nel modulo, il secondo è la larghezza dei lati del ramo (in mm), il terzo è l'altezza del ramo (in mm) . Ad esempio, TV-127-1.4-1.5 è un modulo composto da 127 coppie di rami termoelettrici, le cui dimensioni sono 1,4x1,4x1,5 mm. Le dimensioni del modulo sono 40x40 mm, lo spessore è di circa 4 mm. I moduli standard monostadio sono disponibili con potenze massime fino a 70 W (12 V) e 172 W (24 V). Vengono forniti i parametri TEM tipici Tabella 1.

Tabella 3 Parametri del generatore termoelettrico

Riso. 9 generatore termoelettrico

Negli esperimenti con TEM, ho verificato la variazione della sua resistenza in diverse modalità. Il tester M830 è stato collegato ai terminali (lamelle) del modulo in modalità di misura della resistenza. I risultati sono riassunti nella Tabella 2.Se esposto a una temperatura superiore alla temperatura ambiente sul lato del TEM con segni, la sua resistenza è diminuita, sul retro è aumentata proporzionalmente (le righe 2 e 3 della tabella mostrano la reazione al contatto con la superficie del TEM con il bordo del palmo, la temperatura indicata è di circa 36°C).

Considerando reversibilità degli elementi Peltier, sulla base di essi è possibile sviluppare alimentatori. Per esempio, generatore termoelettrico“V25-12(M)” della ditta “Kryotherm” (Fig. 9) consente di caricare le batterie dei telefoni cellulari, fotocamere digitali, guardare la tv, a lungo lavorare su un laptop, ecc. L'unico requisito è che sia necessaria una superficie riscaldata di 20x25 cm. I parametri del generatore sono riportati in Tabella 3.

A. Kashkarov.

Cos'è un elemento Peltier - un convertitore elettrico e termico, costituito da diverse coppie (in alcuni casi una) di semiconduttori di diverso tipo ("n" e "p"), questi ultimi sono collegati da ponti metallici - principalmente rame. In pratica questo dispositivo crea una differenza di temperatura alle diverse estremità della superficie quando scorre l'energia elettrica.

Una delle opzioni più semplici di questo dispositivo Quello di Peltier uso praticoè una modifica di TEC1-12706, mostrata nella Figura 1.

Il principio di funzionamento si basa sull'effetto Peltier termoelettrico. In altre parole, durante il flusso e sotto l'influenza della corrente elettrica, si crea una differenza di temperatura nei punti di contatto delle termocoppie - semiconduttori di tipo “n” e “p”.

Gli elementi Peltier sono “dispositivi sensibili” al surriscaldamento e alle alte temperature. Sono soggetti a requisiti operativi elevati e, se questi non vengono soddisfatti, il dispositivo si guasta rapidamente. È molto importante eliminare il calore; a questo scopo è necessario installare un radiatore o un ventilatore, altrimenti non verrà raggiunta la temperatura del lato freddo rispetto a quello caldo.

Come funziona l'elemento Peltier?

Immaginiamolo elettricità attraversa la coppia termica come mostrato in Figura 2.

In questo caso, si verificano il processo di assorbimento dell'energia termica sul contatto del semiconduttore n - p e il processo di rilascio dell'energia termica sul contatto p - n. Di conseguenza, una parte della termocoppia a semiconduttore, accoppiata al contatto n-p, verrà raffreddata e la seconda parte sull'altro lato opposto si riscalderà di conseguenza.

Nel caso in cui cambiamo la polarità della corrente, si verificano i processi di riscaldamento e raffreddamento e, di conseguenza, cambieranno anche loro.

Il processo inverso dell'effetto Peltier porta al fatto che quando il calore viene fornito a un lato del convertitore termico, si ottiene energia elettrica.

Naturalmente, in pratica, l'uso di una termocoppia non è sufficiente per rimuovere completamente l'energia termica, quindi nel convertitore ne viene utilizzata una grande quantità. Il circuito elettrico è assemblato da termocoppie in serie. Allo stesso tempo, nella progettazione degli elementi di conversione termica: le termocoppie di riscaldamento si trovano sull'altro lato rispetto a quelle di raffreddamento.

Il design dell'elemento Peltier è molto semplice. Le coppie termiche sono realizzate tra due piastre in ceramica. Le termocoppie sono collegate utilizzando conduttori in rame (sbarre collettrici). Il numero di termocoppie è determinato dallo scopo del convertitore termico, dalla sua potenza e dal luogo di installazione e può essere utilizzato da uno a diverse centinaia di pezzi.

Gli elementi principali del convertitore termico sono: semiconduttori di tipo p, tipo n, piastre ceramiche, interfacce in rame - conduttori; contatti per fornire corrente elettrica “più” e “meno”. Per un elemento Peltier, la differenza di temperatura tra i diversi bordi delle termocoppie arriva fino a 70 gradi Celsius. Aumentare questa differenza la cascata deve essere aumentata collegamento sequenziale termocoppie

Principali caratteristiche operative dell'elemento Peltier

In generale, questo dispositivo funziona idealmente nei casi in cui le termocoppie sono in contatto buono e affidabile con il dispositivo di raffreddamento, sia esso un radiatore di raffreddamento o una ventola di raffreddamento con serpentina, ovvero una buona rimozione del calore.

I moduli Peltier, come vengono spesso chiamati, sono molto sensibili alle variazioni di corrente e tensione (non più del 5%). Sotto l'influenza alte temperature(più critico per elementi fino a 150 gradi), l'efficienza diminuisce molte volte (fino al 40%) e il modulo si rompe molto rapidamente.

Di norma, una condizione inaccettabile nel circuito operativo degli elementi a semiconduttore è l'adattamento dei dispositivi relè: limitazione o regolazione della potenza. Ciò porta al degrado dei componenti cristallini e presto l'elemento non funzionerà correttamente.

Anche l'accensione e lo spegnimento frequenti dei dispositivi influiscono negativamente sul funzionamento, sulla durata e sulla longevità del funzionamento. Secondo le leggi della fisica, qualsiasi riscaldamento di un materiale porta alla sua espansione termica e il raffreddamento porta alla compressione. Di conseguenza, soprattutto punti deboli negli elementi semiconduttori vengono "saldati", dove a causa del movimento meccanico possono apparire difetti sotto forma di microfessure che alla fine portano alla rottura del circuito.

Il coefficiente di conduttività termica delle coppie termiche dell'elemento Peltier è piuttosto elevato, il che, da un lato, è un vantaggio e, dall'altro, limita la durata e il numero stimato di cicli stop-start-stop.

Vantaggi e svantaggi del modulo Peltier

Confrontare il dispositivo Peltier con altre unità di raffreddamento con azionamenti diversi è in linea di principio impossibile e poco pratico, poiché nel primo caso hanno materiali semiconduttori sotto forma di cristalli e nel secondo caso il fluido di lavoro è gas o liquido (ad esempio: un frigorifero a compressore). IN varie aree vengono utilizzati entrambi i dispositivi.

I vantaggi degli elementi Peltier includono:

• completa assenza di meccanica di movimento e parti rotanti, nonché di liquidi e gas;
• Non c'è assolutamente alcun rumore di funzionamento dei dispositivi;
• dimensioni relativamente piccole;
• doppia funzionalità: riscaldamento e raffreddamento al cambio di polarità;

Gli svantaggi includono:

• relativamente basso coefficiente azione utile;
• Requisiti fonte permanente energia, nutrizione;
• il numero di avviamenti e arresti è limitato;
• spegnimento e accensione regolari dei dispositivi termoelettrici;
• controllo del riscaldamento da un lato o del raffreddamento dall'altro tramite un ventilatore.

Sondaggio: è chiaro cos'è l'elemento Peltier e come funziona?

Il numero di dispositivi elettronici nel mondo cresce costantemente come una palla di neve. Tutti consumano elettricità e le persone devono portare e portare costantemente con sé batterie o generarle su dispositivi ingombranti. Recentemente hanno iniziato a utilizzare i moduli Peltier, elementi che generano una corrente elettrica quando creano una differenza di temperatura sui loro lati opposti.

Effetti Peltier e Seebeck

Nonostante il fatto che il primo elemento Peltier sia stato creato quasi 2 secoli fa, il principio di funzionamento ha trovato applicazione solo ora, quando sono comparsi i materiali adatti e la necessità di utilizzo. Consiste nella generazione di calore al contatto di conduttori diversi quando la corrente elettrica li attraversa. Quando la polarità cambia, l'area di contatto inizia a raffreddarsi. Il processo è reversibile: quando viene mantenuta artificialmente una differenza di temperatura ai contatti dei conduttori, nel loro circuito scorre una corrente elettrica (effetto Seebeck).

Sulla base di due effetti termoelettrici è stato creato un modulo Peltier, i cui elementi si trovano tra due piastre ceramiche parallele sotto forma di conduttori diversi. La corrente che passa attraverso il contatto dei conduttori è la stessa, ma i flussi di energia in ciascuno di essi sono diversi. Quando nel contatto entra più energia di quanta ne esce, ciò significa che gli elettroni vengono inibiti nella regione di transizione, provocandone il riscaldamento. Quando la polarità cambia, gli elettroni accelerano, sottraendo energia al reticolo cristallino, che lo fa raffreddare.

L'effetto Peltier è particolarmente attivo ai confini degli elementi semiconduttori, dove i processi energetici sono massimi.

Modulo termoelettrico

Gli elementi Peltier sono utilizzati in un dispositivo costituito da molti semiconduttori di tipo p e n. A differenza dei transistor e dei diodi, le regioni di transizione si trovano sull'interfaccia metallo-semiconduttore. Nel modulo Peltier, tra le piastre ceramiche si trovano un gran numero di elementi, il che rende il dispositivo più potente.

Ogni elemento contiene 4 giunzioni al contatto metallo-semiconduttore. Quando circuito elettricoè chiuso, gli elettroni si spostano dal meno della batteria al più, passando attraverso tutte le transizioni.

Durante la prima transizione del modulo termoelettrico (TEM) tra il bus in rame e il semiconduttore p, in quest'ultimo viene rilasciato calore, poiché il flusso di cariche entra in una regione con energia inferiore.

In un altro contatto del semiconduttore, l'energia viene assorbita poiché gli elettroni vengono “risucchiati” da un campo elettrico che coincide con la direzione del loro movimento. Lì avviene il processo di raffreddamento.

Al terzo contatto l'energia degli elettroni viene assorbita perché il semiconduttore di tipo n ha più energia del metallo.

Alla quarta transizione, il calore viene rilasciato poiché gli elettroni vengono nuovamente inibiti dal campo elettrico.

Pertanto, il calore viene generato da un lato e raffreddato dall'altro. Su un elemento questo fenomeno non sarà evidente, ma il modulo Peltier, i cui elementi si trovano tra due piastre ceramiche, crea una significativa differenza di temperatura.

Il modulo può essere utilizzato come generatore di energia elettrica se supportato temperature diverse piatti Allo stesso tempo, ciascuno elemento termoelettrico La Peltier è collegata in serie a quella adiacente tramite ponticelli in rame, e le loro correnti sono sommate.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi del TEM:

• piccole dimensioni;
• reversibilità del processo;
• utilizzare come generatore elettrico o frigorifero.

Gli svantaggi di TEM includono costo alto, bassa efficienza (non più del 3%), elevato consumo energetico e necessità di mantenere una differenza di temperatura.

Frigorifero da un modulo Peltier

L'elemento Peltier per il raffreddamento del processore è più efficace degli elementi standard. Allo stesso tempo, questi ultimi rimangono, ma vengono utilizzati solo per rimuovere il calore dallo spazio chiuso del computer.

Quando li si progetta come dispositivo di raffreddamento mezzi elettroniciÈ necessario tenere conto delle seguenti caratteristiche.

1. La potenza è direttamente correlata alla dimensione del modulo. Piccoli dispositivi non creerà il livello di raffreddamento richiesto. Ad esempio, non garantiranno le normali condizioni di temperatura del processore. Un modulo troppo potente provoca la comparsa di umidità, che causa corto circuiti in elettronica, poiché le distanze tra gli elementi conduttori sui circuiti stampati sono insignificanti.
2. Gli stessi moduli Peltier devono essere raffreddati utilizzando ventole e dissipatori di calore perché generano molto calore. Ciò è necessario per ridurre la temperatura nello spazio chiuso del computer e normalizzare le condizioni operative di altri elementi.
3. Il modulo Peltier costituisce un carico aggiuntivo nell'alimentatore.
4. In caso di guasto del frigorifero, funge da isolante tra il radiatore e l'elemento raffreddato, il che può portare al rapido guasto di quest'ultimo a causa del surriscaldamento.
5. I processori moderni possono modificare il consumo energetico durante il funzionamento, il che ha un effetto benefico sul bilancio termico, ma non sempre quando si utilizzano i moduli Peltier. I frigoriferi più semplici sono progettati per lavoro continuo e non sono consigliati per l'uso insieme ai programmi di raffreddamento.

Rilascio di calore

L'effetto di raffreddamento di un TEM è piccolo, ma produce molto calore. Quando viene utilizzato in unità di sistema, la temperatura interna aumenta in modo significativo, influenzando il funzionamento di altre apparecchiature. Mezzi aggiuntivi Per ridurlo vengono utilizzati ventilatori e radiatori, creando uno scarico termico.

Il regime termico del modulo deve essere calcolato correttamente affinché non si verifichino surriscaldamenti e non si formi condensa sulle schede elettroniche. Viene selezionato il raffreddatore Peltier con potenza ottimale, dove è importante garantire il corretto rapporto tra temperatura all'interno della custodia, raffreddamento dell'oggetto e umidità dell'aria.

Elemento Peltier: caratteristiche

TEM viene selezionato in base ai parametri termoelettrici.

Il calcolo della potenza è il seguente.

1. Viene selezionata la tensione massima consentita U max (V) e l'intensità di corrente massima I max (A) che scorre attraverso il modulo Peltier viene ricavata dal grafico di dipendenza U(I). È importante qui che il suo valore rientri nei limiti dell'aumento della dipendenza della differenza di temperatura dalla corrente dT(I) = T h - T s.
2. In base al valore impostato di I viene scelta la caratteristica dT(Q), dove Q è la potenza termica dell'elemento raffreddato.
3. Di valori conosciuti dT e T h sono determinati da T c = T h - dT.

Le caratteristiche dT(Q) mostrano che all'aumentare della potenza termica rilasciata, la differenza dT diminuisce. Può essere ingrandito aumentando la corrente attraverso il modulo, che a sua volta deve essere limitata.

Esempio di calcolo

Dati iniziali: U = 12 V, Q c = 60 W e T h = 50 °C.

Ad una tensione di 12 V, utilizzando la caratteristica U(I) troviamo la corrente I = 5 A.

Per una corrente di 5 A la differenza di temperatura dT = 4 K. Quindi T c = T h - dT = 50 - 4 = 46 °C.

Prendendo un modulo più potente, puoi aumentare il dT. Per un modulo da 131 W, dove I max = 8,5 A, U max = 28,8 V e un oggetto con una potenza di generazione di calore di 60 W, la differenza di temperatura sarà di 40 °C. Allora T c = 50 - 40 = 10 °C.

Quando si sceglie un TEM in base alla potenza, non bisogna dimenticare la quantità di calore che genererà. Questo flusso di calore deve essere rimosso mediante idonei agenti refrigeranti. Quando i mezzi tradizionali non riescono a far fronte alla generazione di calore, viene utilizzato il raffreddamento ad acqua.

Condizionatore

L'efficienza di un condizionatore basato su elementi Peltier è proporzionale alle sue dimensioni. Il suo principio di funzionamento e i suoi vantaggi sono gli stessi di un frigorifero. Il problema è la rimozione del calore all’esterno dello spazio raffreddato.

Il condizionatore d'aria richiede 2 refrigeratori, uno dei quali rimuove l'aria fredda e l'altro l'aria calda. L'auto utilizza una batteria e per la stanza è adatto un vecchio alimentatore da un personal computer.

Un modulo non sarà sufficiente per far funzionare il dispositivo. In genere vengono utilizzati diversi elementi, incollati insieme con pasta termica.

Frigorifero fai da te

L'effetto Peltier viene utilizzato per creare frigoriferi portatili. Il modulo può essere acquistato per 300-500 rubli e il radiatore con ventola è preso da un vecchio computer. Come contenitore, è possibile utilizzare qualsiasi contenitore in plastica, compensato o metallo, rivestito esternamente e internamente con piastre termoisolanti (plastica espansa, penoplex, ecc.) Con strati riflettenti di foglio di alluminio.

È più comodo installare il modulo Peltier nel coperchio, ma può anche essere installato nella parete dell'alloggiamento. Se si trova nella parte superiore del contenitore, il freddo si sposta verso il basso, garantendo una temperatura uniforme all'interno.

Dall'interno, un dissipatore di calore è incollato al modulo mediante pasta termica, anch'essa fissata al coperchio. Puoi incollare due moduli tra loro, ma non confondere la polarità. Il lato caldo dell'elemento inferiore deve essere in contatto con il lato freddo dell'elemento superiore. Ciò aumenterà l'efficienza del raffreddamento.

Un radiatore con una ventola del dispositivo di raffreddamento del computer è incollato all'esterno del modulo ed è inoltre fissato al coperchio con viti o viti autofilettanti. Gli elementi di fissaggio sui lati caldo e freddo devono essere isolati l'uno dall'altro e i cappucci devono essere riempiti con adesivo hot-melt.

Importante! Gli elementi di fissaggio del radiatore devono essere serrati con attenzione in modo che le piastre in ceramica dei moduli non si rompano.

All'interno del coperchio è installata una guarnizione termoisolante. Per migliorare l'isolamento termico, gli elementi sono rivestiti alle estremità con un telaio in materiale isolante termico.

L'impianto elettrico è collegato alla rete elettrica.

Generatori elettrici da moduli Peltier

L'elemento Peltier, il cui principio di funzionamento è reversibile, viene utilizzato per realizzare minicentrali in assenza di fonti elettriche. Per assemblare un TEG sono necessari i seguenti elementi:

1. Modulo Peltier in grado di resistere a temperature da 300 °C. Sono comuni i modelli TES-12712 con dimensioni laterali di piastre quadrate di 40, 50 e 60 mm. Se selezioni un prodotto taglia massima, un elemento è sufficiente per ricaricarsi cellulare. La corrente massima è indicata dalle ultime due cifre della marcatura - 12 a.
2. Convertitore potenziato. Il generatore potrebbe non fornire la tensione richiesta e dovrebbe essere aumentato. Per caricare i gadget, dovresti scegliere un dispositivo con un connettore USB.
3. Riscaldatore e dispositivo di raffreddamento. Per condizioni escursionistiche o una dacia, una fonte adatta di riscaldamento del fuoco è: una stufa fatta in casa, una lampada, una candela, un fuoco. Soluzione modernaè un riscaldatore catalitico, che ti permette di ricaricare il tuo cellulare mentre sei in movimento. Per il raffreddamento è possibile utilizzare aria o acqua.
4. Progetto. Elemento fatto in casa Peltier è costituito da un contenitore in cui viene acceso un fuoco e un modulo è fissato all'esterno con pasta termica. È collegato tramite fili a un convertitore di tensione. È importante qui non surriscaldare il dispositivo. A tale scopo viene incollato un radiatore sul lato freddo del modulo.

Conclusione

I moduli Peltier sono elementi ampiamente utilizzati per il raffreddamento moderno tecnologia elettronica. Sono particolarmente necessari per normalizzare il regime termico potenti processori. Sono abituati a realizzare piccoli frigoriferi per auto o cottage con le proprie mani.

Poiché il processo è reversibile, le celle vengono utilizzate come mini centrali elettriche portatili in luoghi dove non sono presenti fonti di elettricità.

Un elemento Peltier è solitamente chiamato convertitore in grado di funzionare con una differenza di temperatura. Ciò avviene facendo fluire la corrente elettrica attraverso i conduttori attraverso i contatti. A tale scopo negli elementi sono previste piastre speciali. Il calore passa da una parte all'altra.

Oggi questa tecnologia è richiesta principalmente per il suo significativo potere di trasferimento del calore. Inoltre, i dispositivi possono vantare compattezza. I radiatori installati su molti modelli sono deboli. Ciò è dovuto al fatto che il flusso di calore si raffredda abbastanza rapidamente. Di conseguenza, la temperatura desiderata viene mantenuta costantemente.

Questo elemento non ha parti mobili. I dispositivi funzionano in modo assolutamente silenzioso e questo è un chiaro vantaggio. Va anche detto che possono essere utilizzati per un tempo molto lungo e che i guasti si verificano estremamente raramente. Il tipo più semplice è costituito da conduttori in rame con contatti e fili di collegamento. Inoltre, sul lato raffreddamento è presente un isolante. Di solito è realizzato in ceramica o

Perché sono necessari gli elementi Peltier?

Gli elementi Peltier vengono spesso utilizzati per realizzare frigoriferi. Generalmente stiamo parlando O modelli compatti, che può essere utilizzato, ad esempio, dagli automobilisti in viaggio. Tuttavia, questa non è la fine della gamma di applicazioni dei dispositivi. IN Ultimamente Gli elementi Peltier iniziarono ad essere installati attivamente nelle apparecchiature audio e acustiche. Lì sono in grado di svolgere le funzioni di un dispositivo di raffreddamento.

Di conseguenza, l'amplificatore del dispositivo viene raffreddato senza alcun rumore. Per i compressori portatili gli elementi Peltier sono indispensabili. Se parliamo dell'industria scientifica, gli scienziati utilizzano questi dispositivi per raffreddare il laser. In questo caso, è possibile ottenere una stabilizzazione significativa dell'onda di studio dei LED.

Svantaggi dei modelli Peltier

Sembrerebbe così semplice e dispositivo efficace Non ci sono difetti, ma ce ne sono alcuni. Innanzitutto gli esperti hanno subito notato la scarsa capacità di penetrazione del modulo. Ciò suggerisce che una persona avrà alcuni problemi se desidera raffreddare un dispositivo che funziona da una rete con una tensione di 400 V. V. in questo caso Una speciale pasta dielettrica aiuterà parzialmente a risolvere questo problema. Tuttavia, il guasto attuale sarà ancora elevato e l'avvolgimento dell'elemento Peltier potrebbe non sopportarlo.

Inoltre, questi modelli non sono consigliati per l'uso nell'elettronica di precisione. Poiché il design dell'elemento contiene piastre metalliche, la sensibilità dei transistor potrebbe essere compromessa. L'ultimo inconveniente L'elemento Peltier può essere definito a bassa efficienza. Questi dispositivi non sono in grado di raggiungere una differenza di temperatura significativa.

Modulo per regolatore

Realizzare un elemento Peltier per un regolatore con le tue mani è abbastanza semplice. Per fare ciò, è necessario preparare in anticipo due piastre metalliche, nonché il cablaggio con i contatti. Innanzitutto vengono preparati i conduttori per l'installazione, che sarà posizionata alla base. Di solito vengono acquistati con la marcatura "PP".

Inoltre, per il normale controllo della temperatura, dovrebbero essere forniti semiconduttori in uscita. Sono necessari per trasferire rapidamente il calore alla piastra superiore. Per installare tutti gli elementi, dovresti usare un saldatore. Per completare l'elemento Peltier con le tue mani, collega infine due fili. Il primo è montato alla base inferiore e fissato al conduttore più esterno. Evitare il contatto con la piastra.

Successivamente, collega il secondo filo nella parte superiore. Il fissaggio viene effettuato anche sull'elemento più esterno. Per verificare la funzionalità del dispositivo, viene utilizzato un tester. Per fare ciò, è necessario collegare due fili al dispositivo. Di conseguenza, la deviazione di tensione dovrebbe essere di circa 23 V. In questa situazione, molto dipende dalla potenza del regolatore.

Frigoriferi con termistore

Come realizzare un elemento Peltier con le tue mani per un frigorifero con termistore? Rispondendo a questa domanda, è importante notare che i piatti sono selezionati esclusivamente dalla ceramica. In questo caso vengono utilizzati circa 20 conduttori. Ciò è necessario affinché la differenza di temperatura sia maggiore. Puoi aumentarlo fino al 70%. In questo caso è importante calcolare

Questo può essere fatto in base alla potenza dell'apparecchiatura. In questo caso l'ideale è un frigorifero che utilizzi freon liquido. L'elemento Peltier stesso è installato vicino all'evaporatore, che si trova accanto al motore. Per installarlo, avrai bisogno di un set standard di strumenti e guarnizioni. Sono necessari per proteggere il modello dal relè di avviamento. Pertanto, il raffreddamento della parte inferiore del dispositivo avverrà molto più velocemente.

Per ottenere una differenza di temperatura (effetto Peltier) con le tue mani, potrebbero essere necessari almeno 16 conduttori. La cosa principale è isolare in modo affidabile i cavi che verranno collegati al compressore. Per fare tutto correttamente, devi prima scollegare l'asciugatrice del frigorifero. Solo dopo è possibile connettere tutti i contatti. Una volta completata l'installazione, il limite di tensione deve essere controllato utilizzando un tester. Se l'elemento non funziona correttamente, il termostato è il primo a soffrirne. In alcuni casi si verifica

Modello per frigorifero 15 V

Puoi realizzare un frigorifero Peltier con le tue mani piccoli moduli... I moduli sono fissati principalmente vicino ai radiatori. Per fissarli in modo sicuro, gli esperti utilizzano gli angoli. L'elemento non dovrebbe appoggiarsi al filtro e questo dovrebbe essere tenuto in considerazione.

Per completare un modulo termoelettrico Peltier con le proprie mani, la piastra inferiore viene scelta principalmente in acciaio inossidabile. I conduttori, di regola, vengono utilizzati con la marcatura "PR20". Possono sopportare un carico massimo di 3 A. La deviazione massima della temperatura può raggiungere i 10 gradi. In questo caso, l'efficienza può essere del 75%.

Elementi Peltier nei frigoriferi a 24 V

Utilizzando un elemento Peltier, puoi realizzare un frigorifero con le tue mani solo da conduttori con una buona tenuta. Allo stesso tempo, devono essere impilati su tre file per il raffreddamento. La corrente operativa nel sistema deve essere mantenuta a 4 A. È possibile verificarla utilizzando un tester convenzionale.

Se si utilizzano piastre in ceramica per l'elemento, la deviazione massima della temperatura può essere raggiunta a 15 gradi. I fili del condensatore vengono installati solo dopo aver posizionato la guarnizione. Puoi fissarlo alla parete del dispositivo diversi modi. La cosa principale in questa situazione è non usare la colla, che è sensibile a temperature superiori a 30 gradi.

Elemento Peltier per refrigeratore per auto

Per realizzare un frigorifero automatico di alta qualità con le proprie mani, viene selezionato un modulo Peltier (modulo) con una piastra il cui spessore non è superiore a 1,1 mm. È preferibile utilizzare cavi non modulari. Per il funzionamento saranno necessari anche conduttori in rame. Loro portata deve essere almeno 4A.

Pertanto, la deviazione massima della temperatura raggiungerà i 10 gradi, questo è considerato normale. I conduttori vengono spesso utilizzati con la marcatura "PR20". Recentemente si sono dimostrati più stabili. Sono adatti anche per vari contatti. Per collegare il dispositivo al condensatore viene utilizzato un saldatore. Un'installazione di alta qualità è possibile solo sulla guarnizione del blocco relè. Le differenze in questo caso saranno minime.

Come realizzare un elemento per un refrigeratore d'acqua potabile?

Per risolverli, puoi usare i normali dadi. La comparsa di rumore eccessivo durante il funzionamento indica che il dispositivo non funziona correttamente. In questo caso è necessario verificare l'integrità del cablaggio. È inoltre necessario ispezionare i conduttori.

Elemento Peltier per condizionatore d'aria

Per realizzare un elemento Peltier di alta qualità con le proprie mani per un condizionatore d'aria, vengono utilizzate piastre doppie. Il loro spessore minimo dovrebbe essere di almeno 1 mm. In questo caso, puoi sperare in una deviazione della temperatura di 15 gradi. Dopo aver equipaggiato i moduli, la prestazione dei condizionatori aumenta in media del 20%. Molto in questa situazione dipende dalla temperatura ambiente. Dovrebbe essere presa in considerazione anche la stabilità della tensione di rete. Con interferenze minime, il dispositivo può sopportare un carico di circa 4 A.

Quando si saldano i conduttori, non devono essere posizionati troppo vicini l'uno all'altro. Per completare correttamente i moduli Peltier con le proprie mani, i contatti di ingresso e uscita devono essere installati solo su una delle due piastre. In questo caso, il dispositivo sarà più compatto. Un grave errore in questa situazione sarebbe collegare il modulo direttamente all'unità. Ciò porterà a inevitabili danni all'elemento.

Installazione del modulo su un condensatore

Per installare un modulo Peltier con le proprie mani, è importante valutare la potenza del condensatore. Se non supera i 20 V, l'elemento deve essere montato con conduttori contrassegnati con "PR30" o "PR26". Per fissare il modulo Peltier (elemento) sul condensatore con le proprie mani, utilizzare piccoli angoli di metallo.

È meglio installarli quattro su ciascun lato. In termini di prestazioni, il condensatore alla fine può aggiungere più del 10%. Se parliamo di perdite di calore, saranno insignificanti. L'efficienza del dispositivo è in media dell'80%. I moduli non sono progettati per condensatori ad alta tensione. In questo caso, anche un gran numero di conduttori non aiuterà.

Nel 1834, il fisico francese Jean Charles Peltier, studiando l'effetto dell'elettricità sui conduttori, scoprì molto effetto interessante. Se si passa corrente attraverso due conduttori diversi situati l'uno vicino all'altro, uno di questi conduttori inizia a riscaldarsi molto e il secondo, al contrario, inizia a raffreddarsi molto. La quantità di calore generato e assorbito dipende direttamente dalla forza e dalla direzione della corrente elettrica. Se cambi la direzione della corrente, i lati freddo e caldo cambieranno di posto. Poco dopo, questo fenomeno fu chiamato effetto Peltier e fu opportunamente dimenticato a causa della sua pratica mancanza di domanda in quel momento.

E solo dopo più di cento anni, con l’avvento dell’era dei semiconduttori, c’è un urgente bisogno di refrigeratori compatti, economici ed efficienti. Così, negli anni '60 del XX secolo, apparvero i primi moduli termoelettrici a semiconduttore, chiamati elementi Peltier.

La base di qualsiasi modulo termoelettrico è il fatto che hanno conduttori diversi diversi livelli energia degli elettroni. In altre parole, un conduttore può essere rappresentato come una regione ad alta energia, il secondo conduttore come una regione a bassa energia. Quando due materiali conduttori entrano in contatto, mentre vengono attraversati da una corrente elettrica, un elettrone proveniente da una regione a bassa energia deve spostarsi verso una regione ad alta energia.

Ciò non accadrà se l'elettrone non acquisisce la quantità di energia richiesta. Nel momento in cui questa energia viene assorbita dall'elettrone, il punto di contatto tra i due conduttori si raffredda. Se si cambia la direzione del flusso di corrente, al contrario, si avrà l'effetto di riscaldare il punto di contatto.

È possibile utilizzare qualsiasi conduttore, ma questo effetto diventa fisicamente evidente e significativo solo quando si utilizzano i semiconduttori. Ad esempio, quando i metalli entrano in contatto, l'effetto Peltier è così insignificante da essere praticamente impercettibile sullo sfondo del riscaldamento ohmico.

Il modulo termoelettrico (TEM), indipendentemente dalle sue dimensioni e dal luogo di applicazione, è costituito da quantità diverse, le cosiddette termocoppie. Una termocoppia è l'elemento fondamentale da cui viene costruito qualsiasi TEM. È costituito da due semiconduttori con diversi tipi di conduttività. Come è noto esistono due tipi di conduttività di tipo p ed n. Di conseguenza, esistono due tipi di semiconduttori. Questi due elementi diversi sono collegati in una termocoppia mediante un ponte di rame. Come semiconduttori vengono utilizzati sali di metalli come bismuto, tellurio, selenio o antimonio.

TEM è un insieme di termocoppie simili collegate tra loro in serie. Tutte le termocoppie si trovano tra due piastre in ceramica. Piastra Peltier. Le piastre sono realizzate in nitruro di alluminio o ossido di alluminio. Il numero di termocoppie in un elemento può variare entro limiti molto ampi, da pochi pezzi a diverse centinaia o migliaia.

In altre parole, gli elementi Peltier possono avere qualsiasi potenza, da centesimi a diverse centinaia o migliaia di watt. DC passa successivamente attraverso tutte le termocoppie e di conseguenza la piastra ceramica superiore viene raffreddata e quella inferiore, al contrario, viene riscaldata. Se cambi la direzione della corrente, le piastre cambieranno posizione, quella superiore inizierà a riscaldarsi e quella inferiore inizierà a raffreddarsi.

C'è una caratteristica nel funzionamento dell'elemento che viene utilizzata attivamente per migliorare l'efficienza di raffreddamento di questo dispositivo. Come è noto, quando la corrente attraversa un elemento Peltier, si crea una differenza di temperatura tra la superficie che si riscalda e quella che si raffredda. Quindi, se la superficie che si sta riscaldando attivamente è sottoposta a raffreddamento forzato. Ad esempio, utilizzando un dispositivo di raffreddamento speciale, ciò porterà a ancora di più forte raffreddamento superficie, cioè quella che viene raffreddata. In questo caso la differenza di temperatura con l'aria circostante può raggiungere diverse decine di gradi.

Vantaggi e svantaggi

Come chiunque dispositivo tecnico, al modulo termoelettrico ha i suoi vantaggi e svantaggi:

Il problema dell’aumento dell’efficienza dei TEM si basa su un puzzle tecnico finora irrisolvibile. Gli elettroni liberi hanno, infatti, una duplice natura, che si manifesta nella pratica, e sono contemporaneamente portatori sia di corrente elettrica che di energia termica. Di conseguenza, un elemento Peltier altamente efficiente deve essere costituito da un materiale che abbia contemporaneamente due proprietà mutuamente esclusive. Questo materiale dovrebbe condurre bene l'elettricità e condurre male il calore. Finora tale materiale non esiste in natura, ma gli scienziati stanno lavorando attivamente in questa direzione.

Tutti i moduli termoelettrici hanno le caratteristiche tecniche adeguate:

Applicazione dei TEM

Nonostante il grave inconveniente inerente a tutti gli elementi Peltier senza eccezioni, vale a dire un'efficienza molto bassa, questi dispositivi hanno trovato un'applicazione piuttosto ampia sia nella scienza e nella tecnologia, sia nella vita di tutti i giorni.

I moduli termoelettrici lo sono elementi importanti progettazioni di dispositivi quali:

Elemento Peltier nelle mani di un artigiano domestico

Dobbiamo subito fare una prenotazione: realizzare da soli un elemento termoelettrico è, per usare un eufemismo, un compito insignificante e non necessario per nessuno. A meno che il produttore non sia uno studente di seconda media e consolidi quindi le conoscenze acquisite nelle lezioni di fisica.

Molto più facile da acquistare nuovo elemento termoelettrico nel relativo negozio. Fortunatamente costano poco e non c’è molta scelta. modello specifico non visibile. E oltre al fatto che non c'è nulla che possa rompersi o usurarsi, qualsiasi termocoppia rimossa da un vecchio computer o condizionatore d'aria per auto non differirà nella sua specifiche tecniche da nuovo.

Il modello di termoelemento più popolare è TEC1-12706. Le dimensioni di questo dispositivo sono 40 per 40 millimetri. È composto da 127 termocoppie collegate tra loro in serie. Progettato per una corrente di 5 A, con una tensione del circuito di 12 V. Un tale elemento costa in media da 200 a 300 rubli. Ma puoi trovarlo per cento, o, in generale, per quello se lo rimuovi da un vecchio computer o da qualche altro dispositivo non necessario.

Usando un tale elemento, puoi realizzare almeno due dispositivi molto interessanti e utili per la tua famiglia.

Come realizzare un frigorifero con le tue mani

La produzione di frigoriferi portatili, in particolare per automobili, è interamente basata sull'effetto Peltier. Per realizzare un dispositivo del genere a casa avrai bisogno di:

• Marchio termocoppia TEC1-12706. Costa 200 rubli nel negozio più vicino (specializzato).
• Radiatore e ventola. Vengono rimossi da un vecchio computer che ha servito al suo scopo.
• Contenitore. Qualsiasi contenitore non necessario in plastica, metallo o legno. L'esterno e l'interno di tale contenitore sono ricoperti con piastre a risparmio di calore in polistirolo espanso o polistirolo espanso.

Il modulo termoelettrico è integrato nel coperchio del contenitore. In questo caso, il flusso del freddo avverrà dall'alto verso il basso, il che porterà ad un raffreddamento uniforme del contenitore. Dall'interno del contenitore, un radiatore è fissato al coperchio mediante pasta termica e bulloni di montaggio.

Per aumentare la potenza del futuro dispositivo di refrigerazione, è possibile aumentare il numero di termoelementi a due o tre o più. In questo caso i moduli vengono incollati tra loro, rispettando la polarità. In altre parole, il lato caldo dell'elemento sottostante è in contatto con il lato freddo di quello sovrastante.

Un altro radiatore è fissato all'esterno del coperchio insieme a un dispositivo di raffreddamento del computer. Nel luogo in cui sono montati i radiatori deve esserci un buon isolamento termico tra il lato freddo interno e quello caldo esterno. È necessario serrare con molta attenzione i radiatori superiore e inferiore con i bulloni di fissaggio in modo che le piastre in ceramica e i termoelementi situati tra di loro non si rompano.

L'elettricità è collegata utilizzando un alimentatore, che può essere preso da un vecchio computer.

Generatore termoelettrico portatile

Una mini centrale elettrica di questo tipo può essere molto utile per un turista o un cacciatore quando le batterie di tutti si scaricano nella foresta. gadget elettronici. In questa situazione, è molto romantico prendere qualche cippato e cono di legno secco, accendere un piccolo fuoco e usarlo per caricare le batterie scariche, e allo stesso tempo cucinare qualcosa da mangiare. Questo è esattamente ciò che ti consente di fare un termogeneratore portatile costruito su un termoelemento.

Per costruire questo dispositivo miracoloso, hai bisogno di un fornello da campo portatile che funzioni con qualsiasi tipo di carburante. In casi estremi, andrà bene anche una piccola candela o una compressa di alcol secco.

Nella stufa viene acceso un fuoco e dall'esterno viene fissato un modulo termoelettrico mediante pasta termica. È collegato tramite fili a un convertitore di tensione.

La quantità di corrente ricevuta dipenderà direttamente dalla differenza di temperatura tra i lati freddo e caldo del termoelemento. Per lavoro efficiente ci deve essere una differenza tra freddo e superficie calda almeno 100 gradi.

In questo caso è necessario comprendere che la temperatura massima è limitata dalla temperatura di fusione della lega di saldatura con cui è realizzato il modulo stesso. Pertanto per dispositivi simili Utilizzano moduli termici speciali, realizzati utilizzando speciali saldature refrattarie. Nei moduli convenzionali, la temperatura di fusione della saldatura è di 150 gradi. Nei moduli refrattari, la saldatura inizia a sciogliersi ad una temperatura di 300 gradi.