Эффект пельтье в холодильниках что это

Элемент Пельтье – что это такое, зачем нужен, устройство и принцип работы, плюсы и минусы, применение

В погоне за улучшением быстродействия процессора столкнулся с проблемой его скорого перегрева и выхода из строя. Для ее эффективного решения приобрел, приспособил и установил элемент Пельтье в качестве внешнего охладителя. В этом обзоре расскажу, что собой представляет данное устройство, зачем нужно и как работает, каковы его плюсы и минусы, где применяется и как правильно его использовать на практике.

Одна из сторон Пельтье-элемента сильно охлаждается при пропускании тока

Одна из сторон Пельтье-элемента сильно охлаждается при пропускании тока
Источник pikabu.ru

Элементы Пельтье – что это такое, зачем нужны и как работают, характеристики

Данный термоэлектрический эффект был открыт в 1-ой половине 19-го столетия французским исследователем Пельтье и получил название в его честь – а чтобы лучше понять, что это такое и каков его принцип работы, представьте следующую картину:

  1. Берем 2 пластинки разных полупроводников – один p-, другой n-типа.
  2. Далее мы просто спаиваем их и по краям подсоединяем провода.
  3. После чего начинаем пропускать ток.
  4. Получая энергию, электроны из одного материала начинают переходить в другой.
  5. В части системы, где поглощается энергия, происходит охлаждение.
  6. Если пустить ток в обратном направлении, произойдет, наоборот, разогрев.

Сразу отмечу, что эффект имеет практическую пользу только для полупроводниковых материалов, и при этом разных по свойствам – в первую очередь по электронным уровням. Для металлов явление будет настолько слабо, что останется практически незаметным.

Элемент Пельтье устроен следующим образом:

  • Лежащие в одной плоскости взаимодействующие друг с другом пары фрагментов кубической формы p- и n-полупроводников.

Пельтье-пластины представляют собой набор полупроводниковых пар
Источник ytimg.com

  • Между собой они последовательно соединены токопроводящими элементами с изоляционной оболочкой. При этом такие металлические части одновременно служат теплопроводниками.
  • Схема расположения пар такова, что на одной стороне образуется один вид соединений (p-n), а на противоположной – другой (n-p).
  • При пропускании через последовательность пар электротока, одна из сторон нагревается, другая – охлаждается.
  • При смене полярности, функция поверхностей поменяется – холодная станет нагреваться, греющая – охлаждаться.

Исходя из принципа действия схемы, чем большее количество полупроводниковых пар будет применено, тем более эффективным будет элемент Пельтье. КПД также может быть улучшено, если тепло начать принудительно отводить, например, вентилятором или радиатором. В лучшем случае разница температур между горячей и холодной стороной достигает 70°C.

🥶Кондиционер на элементах Пельтье. Есть ли смысл?

Разница температур между теплой и холодной стороной может достигать 70°C

В идеальном случае разница температур между теплой и холодной стороной может достигать 70°C
Источник ruselectronic.com

Отличие от холодильника

В первую очередь отмечу специфику применения обычной холодильной установки на примере отвода тепла от процессорного блока – это следующий ряд особенностей:

  1. Необходимость использования хладагента. Как правило, это фреон. Эксплуатация сопряжена с рядом неудобств – обеспечение циркуляции, высокое давление в системе, опасность.
  2. Постоянный рабочий шум насоса.
  3. Техническая сложность проекта. Потребуется конструировать каскад соединенных друг с другом элементов, ведущих к охлаждаемой области.
  4. Образование конденсата, ввиду соприкосновения холодной поверхности с влажным воздухом помещения.
  5. Низкий КПД. Как правило, холодильные установки проявляют меньшую работоспособность, чем рассчитано по проекту.

В свете рассматриваемого случая модуль Пельтье оказывается более выгодным – хотя бы потому, что он обладает совершенно иным принципом работы, и им легче оснастить обслуживаемую область.

Пельтье-модуль с вентилятором как охладитель для мобильного холодильника

Пельтье-модуль, оснащенный вентилятором, служит эффективным охладителем для мобильного холодильника
Источник a.d-cd.net

Теххарактеристики и маркировка

Для того чтобы получить запланированный эффект охлаждения, нужно правильно подобрать плату Пельтье, а для этого в свою очередь нужно знать, какими параметрами она характеризуется и как расшифровывается маркировка.

Это, прежде всего, следующий набор теххарактеристик:

  • Производительность холода, ватт. Вычисляется по предельному току и набольшей разнице температур.
  • Наивысшее значение термоперепада между холодной и нагретой сторонами, град.
  • Предел силы тока, требуемой для достижения наибольшей разницы температуры, ампер.
  • Наибольшее напряжение, вольт.
  • Сопротивление платы, Ом.
  • Коэффициент СОР – эффективность или КПД. Варьируется в рамках 0,3-0,5 – в зависимости от качества сборки изделия.

В маркировке пластин Пельтье нужно знать следующее:

  1. Первая пара символов, как правило, ТЕ – означает тип устройства, то есть в данном случае термоэлемент.
  2. Третий символ – размер. C – обычный, S – мелкий.
  3. Крайняя цифра – количество слоев.
  4. Далее через черту идет обозначение величины полупроводниковых пар.
  5. Последним отображается величина силы тока в амперах.

Маркировка Пельтье-модуля отображается прямо на одной из его сторон

Маркировка Пельтье-модуля отображается прямо на одной из его сторон
Источник alicdn.com

Например, маркировка «ТЕС1-12703» означает, что термоэлемент обычного размера с 1 слоем и 127 термопарами на 3 А.

Мощность элемента Пельтье для охлаждения процессора должна быть подобрана максимально точно. В противном случае либо тепло будет не достаточно отводиться, и техника будет перегреваться и отключаться, либо чрезмерный холод приведет к образованию конденсата и сырости в электрической схеме, что не менее опасно.

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.

А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная

Преимущества термоэлектрического охлаждения

Возрождение интереса к применению термоэлектрического охлаждения в настоящее время связано также с экологическими проблемами, возникающими при использовании традиционных методов получения холода (разрушение озонового слоя, парниковый эффект и т. д.). Термоэлектрические холодильники абсолютно безопасны с экологической точки зрения, не имеют изнашивающихся и трущихся элементов, а значит бесшумны в работе, характеризуются отсутствием вибраций, не требуют штатных устройств очистки рабочих тел, способны устойчиво работать длительное время.

Термоэлектрические преобразователи энергии имеют и другие преимущества:

  • возможность не только охлаждения, но и нагрева;
  • исключительная надежность компонентов, вырабатывающих холод;
  • возможность очень быстрого охлаждения;
  • высокая точность регулировки температуры и возможность термостатирования путем изменения тока питания;
  • независимость параметров термоэлектрических модулей от силы
  • тяжести и ориентации в пространстве, а также малая чувствительность к высоким механическим нагрузкам;
  • отсутствие необходимости в техническом обслуживании.

Немного теории: термоэлектрические эффекты

Работа термоэлектрических холодильных базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны, как с превращением тепловой энергии в электрическую, так и с превращением энергии электрического тока в холод.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека состоит в том, что если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Тг (горячий спай), а на другом температуру Тх (холодный спай), то при условии Тг  Тх на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е. При замыкании контактов в цепи появляется электрический ток.

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте контакта выделяется или поглощается некоторое количество теплоты (в зависимости от направления тока). Когда электроны переходят из материала p-типа в материал n-типа через электрический контакт, им приходится преодолевать энергетический барьер и забирать для этого энергию у кристаллической решетки (холодный спай). Наоборот, при переходе из материала n-типа в материал p-типа электроны отдают энергию решетке (горячий спай).

Эффект Томсона

Эффект Томсона состоит в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, в котором создан градиент температуры, в дополнение к теплоте Джоуля выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты. Физическая причина данного эффекта связана с тем, что энергия свободных электронов зависит от температуры. Тогда на горячем спае электроны приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Плотность свободных электронов также растет при повышении температуры, вследствие чего возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На горячем конце накапливается положительный заряд, на холодном – отрицательный. Перераспределение зарядов препятствует потоку электронов и при определенной разности потенциалов совсем его останавливает. Аналогично протекают вышеописанные явления и в веществах с дырочной проводимостью, с той лишь разницей, что на горячем конце накапливается отрицательный заряд, а на холодном – положительно заряженные дырки. Поэтому в веществах со смешанной проводимостью эффект Томсона оказывается несущественным.

Взаимосвязь между рассматриваемыми термоэлектрическими эффектами представлена на рисунке.

Термоэлектрические эффекты: а – эффект Зеебека; б – эффект Пельтье

Термоэлектрические эффекты: а – эффект Зеебека; б – эффект Пельтье

Источник: по материалам статей доктора физико-математических наук Л.П. Булата

Что такое эффект Пельтье

Элемент Пельтье работает по принципу эффекта Пельтье, который заключается в переносе тепла между двумя материалами при пропускании через них электрического тока. Этот эффект был открыт Жаном Шарлем Атаназом Пельтье в 1834 году и вызывается потоком электронов между двумя материалами, один из которых является проводником, а другой — полупроводником. Когда электрический ток проходит через соединение этих двух материалов, электроны перетекают из проводника в полупроводник, вызывая поглощение тепла на одном конце и выделение на другом.

Элементы Пельтье состоят из двух различных типов полупроводниковых материалов, известных как полупроводники P-типа и N-типа, помещенных между двумя керамическими пластинами. Когда электрический ток проходит через соединение этих двух полупроводников, тепло поглощается с одной стороны и выделяется с другой. Направление потока тепла может быть изменено на противоположное, если изменить полярность электрического тока.

Элементы Пельтье обладают рядом характеристик, которые делают их полезными в различных устройствах. К этим характеристикам относятся:

Дифференциал температуры

Дифференциал температуры элемента Пельтье — это разница температур между горячей и холодной сторонами элемента при прохождении через него тока. Разность температур зависит от силы тока, протекающего через элемент, и приложенной к нему тепловой нагрузки. Максимальная разность температур, которая может быть достигнута, ограничена свойствами материала полупроводников, используемых в элементе.

Охлаждающая способность

Охлаждающая способность элемента Пельтье — это количество тепла, которое может быть отведено от горячей стороны элемента за единицу времени. Охлаждающая способность зависит от размера и количества используемых элементов, а также от разности температур на элементе.

Эффективность

Эффективность элемента Пельтье — это отношение количества тепла, отведенного от горячей стороны элемента, к количеству подведенной к нему электроэнергии. Эффективность элементов Пельтье относительно низкая, обычно около 5-10%, по сравнению с традиционными холодильными системами.

Размер и вес

Элементы Пельтье компактны и легки, что делает их идеальными для использования в небольших электронных устройствах.

Надежность

Элементы Пельтье не имеют движущихся частей, что делает их надежными и не требующими технического обслуживания.

Применение элементов Пельтье

Элементы Пельтье имеют широкий спектр применения. Они широко используются в электронных устройствах таких, как кулеры процессора, для поддержания стабильной температуры. Также элементы Пельтье могут использоваться для быстрого циклического изменения температуры материала, что делает их полезными в исследованиях в области материаловедения. Помимо этого, они используются в космических кораблях и спутниках для регулирования температуры и в автомобилях для охлаждения электронных компонентов. Благодаря своим компактным размерам, малому весу и отсутствию необходимости в обслуживании, элементы Пельтье, вероятно, будут продолжать использоваться в широком спектре устройств в будущем.

В нашем интернет-магазине вы можете выбрать и купить различные виды активных компонентов для электроники по доступным ценам. Если у вас возникнут вопросы, свяжитесь с нами, и наши менеджеры подробно расскажут вам о товарах и помогут подобрать оптимальный вариант, соответствующий поставленным задачам.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий