W 1834 roku francuski fizyk Jean Charles Peltier, badając wpływ elektryczności na przewodniki, odkrył bardzo interesujący efekt. Jeśli przepuścisz prąd przez dwa różne przewodniki znajdujące się blisko siebie, jeden z tych przewodników zaczyna się bardzo nagrzewać, a drugi wręcz przeciwnie, staje się bardzo zimny. Ilość ciepła wytwarzanego i pochłanianego bezpośrednio zależy od siły i kierunku prądu elektrycznego. Jeśli zmienisz kierunek prądu, zimne i gorące strony zmienią miejsca. Nieco później zjawisko to nazwano efektem Peltiera i zostało bezpiecznie zapomniane z powodu praktycznego braku zapotrzebowania w tym czasie.

I dopiero po ponad stu latach, w czasach świetności ery półprzewodników, pojawiła się pilna potrzeba kompaktowych, niedrogich i wydajnych lodówek. Tak więc w latach 60. XX wieku pojawiły się pierwsze półprzewodnikowe moduły termoelektryczne, zwane elementami Peltiera.

Termopara Peltiera

Podstawą każdego modułu termoelektrycznego jest fakt, że różne przewodniki mają różne poziomy energii elektronów. Innymi słowy, jeden przewodnik może być reprezentowany jako region o wysokiej energii, a drugi przewodnik jako region o niskiej energii. Kiedy dwa przewodzące materiały stykają się podczas przepływu przez nie prądu elektrycznego, elektron z regionu niskoenergetycznego musi przejść do regionu wysokoenergetycznego.

Nie stanie się tak, jeśli elektron nie uzyska niezbędnej ilości energii. W momencie absorpcji tej energii przez elektron punkt styku dwóch przewodników jest chłodzony. Jeśli zmienisz kierunek przepływu prądu, przeciwnie, będzie efekt ogrzewania punktu styku.

Można stosować dowolne przewodniki, ale efekt ten staje się fizycznie zauważalny i znaczący tylko w przypadku zastosowania półprzewodników. Na przykład, gdy stykają się metale, efekt Peltiera jest tak nieznaczny, że jest prawie niewidoczny na tle grzania omowego.

Moduł urządzenia

Moduł termoelektryczny (TEM), niezależnie od jego wielkości i miejsca zastosowania, składa się z innej liczby, tak zwanych termopar. Termopara jest właśnie cegłą, z której zbudowany jest dowolny TEM. Składa się z dwóch półprzewodników o różnych rodzajach przewodnictwa. Jak wiadomo, istnieją dwa typy przewodnictwa typu p i n. W związku z tym istnieją dwa rodzaje półprzewodników. Te dwa odmienne elementy są połączone w termoparę za pomocą mostka miedzianego. Jako półprzewodniki stosuje się sole metali, takich jak bizmut, tellur, selen lub antymon.

TEM - zestaw podobnych termopar połączonych szeregowo. Wszystkie termopary znajdują się między dwiema płytkami ceramicznymi. Płyta Peltiera. Płytki są wykonane z azotku lub tlenku glinu. Rzeczywista liczba termopar w jednym elemencie może zmieniać się w bardzo szerokim zakresie, od kilku sztuk do kilkuset lub tysięcy.

Innymi słowy, elementy Peltiera mogą mieć absolutnie dowolną moc, od setnych ułamka, do kilkuset lub tysięcy watów. Prąd stały przepływa kolejno przez wszystkie termopary, w wyniku czego górna płyta ceramiczna ochładza się, a dolna, wręcz przeciwnie, nagrzewa się. Jeśli zmienisz kierunek prądu, płytki zmienią miejsca, górna zacznie się nagrzewać, a dolna ostygnie.

Element ma jedną funkcję, która jest aktywnie wykorzystywana w celu zwiększenia wydajności chłodzenia tego urządzenia. Jak wiadomo, gdy prąd przepływa przez element Peltiera, powstaje różnica temperatur między ogrzewaną powierzchnią a chłodzoną powierzchnią. Tak więc, jeśli powierzchnia, która aktywnie się nagrzewa, jest poddawana przymusowemu chłodzeniu. Na przykład użycie specjalnej chłodnicy doprowadzi do jeszcze silniejszego chłodzenia powierzchni, czyli chłodzenia. W tym przypadku różnica temperatur z otaczającym powietrzem może osiągnąć kilkadziesiąt stopni.

Zalety i wady

Jak każde urządzenie techniczne, moduł termoelektryczny ma swoje zalety i wady:

  • Małe rozmiary. Mówiąc dokładniej, TEM może być dowolnej wielkości, od mikroskopijnej do gigantycznej.
  • Brak ruchomych elementów w projekcie, co powoduje, że urządzenie jest całkowicie ciche w działaniu.
  • Brak wypełniaczy w postaci cieczy lub gazu w konstrukcji, co czyni urządzenie niezwykle prostym zarówno w urządzeniu, jak i podczas pracy.
  • W zależności od kierunku prądu TEM może być elementem chłodzącym lub grzejnym.
  • Główną wadą TEM jest jego niska wydajność w porównaniu do agregatów chłodniczych typu sprężarkowego pracujących na freonie.

Problem zwiększenia wydajności TEM spoczywa na zagadce technicznej, która jest nadal nierozpuszczalna. Wolne elektrony mają w rzeczywistości podwójną naturę, co przejawia się w praktyce i są jednocześnie nośnikami zarówno prądu elektrycznego, jak i energii cieplnej. W rezultacie wysoce skuteczny element Peltiera powinien być wykonany z materiału, który ma jednocześnie dwie wzajemnie wykluczające się właściwości. Materiał ten powinien dobrze przewodzić prąd i słabo przewodzić ciepło. Jak dotąd taki materiał nie istnieje w naturze, ale naukowcy aktywnie pracują w tym kierunku.

Specyfikacje techniczne

Wszystkie moduły termoelektryczne mają odpowiednie parametry techniczne:

  • Qmax - wydajność chłodnicza. Oblicza się go na podstawie maksymalnego dopuszczalnego prądu i różnicy temperatur między przeciwległymi powierzchniami. Wartość mierzona jest w watach.
  • DTmax - maksymalna różnica temperatur między powierzchniami elementu. Mierzone w stopniach.
  • Imax - dopuszczalna siła prądu, która jest niezbędna do wystąpienia maksymalnej różnicy temperatur.
  • Umax to maksymalne dopuszczalne napięcie.
  • Rezystancja to wewnętrzna rezystancja urządzenia.
  • COP (współczynnik wydajności) - współczynnik efektywności. To jest wydajność elementu. Pokazuje stosunek mocy chłodzenia do zużycia energii. W przypadku najbardziej zaawansowanych modeli współczynnik ten prawie osiąga 0, 5. W prostszych nie przekracza 0, 2-0, 3.

Zastosowanie TEM

Pomimo poważnej wady nieodłącznie związanej ze wszystkimi elementami Peltiera bez wyjątku, a mianowicie bardzo niskiej wydajności, urządzenia te są dość szeroko stosowane zarówno w nauce i technologii, jak iw życiu codziennym.

Moduły termoelektryczne są ważnymi elementami konstrukcyjnymi urządzeń, takimi jak:

  • Lodówki mobilne. W szczególności automatyczne lodówki.
  • Przenośne generatory ciepła. Do prądu w trudno dostępnych miejscach.
  • Systemy chłodzenia w nowoczesnych komputerach.
  • Klimatyzatory samochodowe.
  • Chłodnice wody chłodzącej i grzewczej.
  • Osuszacze
  • Laboratoryjne inkubatory chłodzące.

Element Peltiera w rękach mistrza domu

Konieczne jest dokonanie rezerwacji od razu, niezależna produkcja elementu termoelektrycznego jest co najmniej bez znaczenia i bezużyteczna dla nikogo. Chyba że producent jest uczniem klasy siódmej, a tym samym utrwala wiedzę zdobytą na lekcjach fizyki.

Znacznie łatwiej jest kupić nowy element termoelektryczny w odpowiednim sklepie. Na szczęście są niedrogie i nie brakuje wyboru konkretnego modelu. Poza tym, że nie ma w nich nic do zerwania lub zużycia, żadna termopara pobrana ze starego komputera lub klimatyzatora samochodowego nie będzie różnić się właściwościami technicznymi od nowego.

Najpopularniejszym modelem termopary jest TEC1-12706. Wymiary tego urządzenia wynoszą 40 na 40 milimetrów. Składa się ze 127 termopar połączonych szeregowo. Jest przeznaczony do prądu 5 A, przy napięciu obwodu 12 V. Taki element kosztuje średnio od 200 do 300 rubli. Ale możesz go znaleźć za sto, lub, ogólnie rzecz biorąc, po usunięciu go ze starego komputera lub innego niepotrzebnego urządzenia.

Przy użyciu takiego elementu można wyprodukować co najmniej dwa bardzo interesujące i użyteczne urządzenia w gospodarstwie domowym.

Jak samemu zrobić lodówkę

Produkcja przenośnych lodówek, zwłaszcza do maszyn, opiera się całkowicie na efekcie Peltiera. Aby zrobić takie urządzenie w domu, potrzebujesz:

  • Termopara marki TEC1-12706. Kosztuje 200 rubli w najbliższym sklepie (specjalistycznym).
  • Grzejnik i wentylator. Są usuwane ze starego komputera, który spełnił swoje zadanie.
  • Pojemnik Każdy niepotrzebny pojemnik wykonany z tworzywa sztucznego, metalu lub drewna. Na zewnątrz i wewnątrz taki pojemnik jest wklejany za pomocą energooszczędnych pianek lub płyt styropianowych.

Moduł termoelektryczny jest zintegrowany z pokrywką pojemnika. W takim przypadku wlot zimna nastąpi od góry do dołu, co doprowadzi do równomiernego chłodzenia zbiornika. Od wewnątrz pojemnika grzejnik jest przymocowany do pokrywki za pomocą pasty termicznej i śrub mocujących.

Aby zwiększyć moc przyszłego urządzenia chłodniczego, możesz zwiększyć liczbę termopar, do dwóch, trzech lub więcej. W takim przypadku moduły przylegają do siebie, przestrzegając biegunowości. Innymi słowy, gorąca strona leżącego poniżej elementu styka się z zimną stroną leżącego powyżej elementu.

Na zewnątrz kolejny grzejnik jest przymocowany do pokrywy wraz z chłodnicą komputerową. W miejscu mocowania grzejników powinna być dobra izolacja termiczna między zimną - wewnętrzną i gorącą - zewnętrzną stroną. Konieczne jest ostrożne dokręcenie górnego i dolnego grzejnika śrubami mocującymi, aby płytki ceramiczne znajdujące się między termoparami nie pękły.

Energia elektryczna jest podłączana za pomocą zasilacza, który można pobrać ze starego komputera .

Przenośny generator termoelektryczny

Taka mini-elektrownia może znacznie pomóc turystom lub myśliwemu, gdy baterie wszystkich elektronicznych gadżetów znajdują się w lesie. To bardzo romantyczne w tej sytuacji, aby wziąć kilka suchych frytek i stożków, rozpalić mały ogień i użyć go do naładowania rozładowanych akumulatorów, a jednocześnie ugotować. Dzięki temu możliwe jest stworzenie przenośnego termogeneratora zbudowanego na termoparie.

Aby zbudować to cudowne urządzenie, potrzebujesz przenośnego pieca kempingowego zasilanego dowolnym rodzajem paliwa. W skrajnych przypadkach wystarczy nawet mała świeca lub tabletka suchego alkoholu.

W piecu powstaje ogień, a moduł termoelektryczny jest przymocowany do niego z zewnątrz za pomocą pasty termicznej. Poprzez przewody łączy się z przetwornicą napięcia.

Wielkość uzyskanego prądu będzie bezpośrednio zależeć od różnicy temperatur między zimną i gorącą stroną termopary. Do skutecznego działania konieczna jest różnica między zimną a gorącą powierzchnią wynosząca co najmniej 100 stopni.

W takim przypadku należy zrozumieć, że maksymalna temperatura jest ograniczona przez temperaturę topnienia lutu, z którym wykonany jest sam moduł. Dlatego do takich urządzeń używaj specjalnych modułów termicznych, które są wykonane przy użyciu specjalnego lutu ogniotrwałego. W konwencjonalnych modułach temperatura topnienia lutu wynosi 150 stopni. W modułach ogniotrwałych lut zaczyna się topić w temperaturze 300 stopni.

Kategoria:

Technologia