Элемент пельтье что это такое, назначение, характеристики, принцип работ

Охлаждение элементом Пельтье

Введение

Когда нам не хватает для разгона обычного воздушного кулера, когда мы уже не ищем лёгких путей, потому что они не помогут, тогда мы начинаем обращаться к более эффективным способам охлаждения процессоров. Таким эффективным, бесспорно, является водяное охлаждение, которое достаточно распространено у заграничных оверклокеров, но совсем не получило распространение у нас. Водяное охлаждение по эффективности можно сравнивать только с модулями Пельтье и дорогими кулерами типа Volcano7+. Мы много раз уже говорили про все достоинства и недостатки термоэлектрических модулей, и вот пришло время повстречаться с ними лицом к лицу.

Термоэлектрическая пластинка

AMD Athlon 1133

1200 МГц @ 1.88 В

Модуль Пельтье (он же TEC, термоэлектрическая пластинка, термонасос и т.д.) купить в России несложно. Более того, если вы купите его в онлайн-магазинах, то есть вероятность, что это будет наш, русский модуль. В России мы имеем заводы, изготавливающие и продающие термоэлектрические модули на экспорт. Наиболее известными считаются Санкт-Петербургские заводы Криотерм и Остерм. На заводе Остерм для вас могут изготовить термоэлектрическую пластинку на заказ, нужной мощности и нужных размеров. Как меня уверяли, для использования на компьютерах производитель даже может установить разъём питания PC-Plug на пластинку, но попавший к нам в термоэлектрический модуль имел только два проводка, которые даже зачищать пришлось самому.

Итак, мы уже ни раз говорили про термоэлектрические модули, но быстренько вспомнить основные тезисы не помешает. Термоэлектрические пластины используют эффект Пельтье (обратный эффект термопары_, заключающийся в том, что при протекании тока через два соприкасающихся полупроводника от одного к другому, пластина нагревается с одной стороны и охлаждается с другой, причём перепад температур на обоих сторонах пластины одинаков. За это свойство модуль Пельтье называют термонасосом. Сам по себе он не может охладить процессор. Он просто перекачивает выделяемое тепло от одной обкладки к другой — от процессора к кулеру. Получается, что термоэлектрический насос имеет холодную сторону, где тепло поглощается, и горячую, где выделяется. Причём, как и в случае с обычным насосом, выделяемое тепло должно куда-то отводиться, то есть, его надо охлаждать кулером. Но на горячей стороне термопары выделяется также тепло, образующееся в следствии потерь, так как по ней тоже течёт ток, а законы физики никто не отменял. В итоге кулер должен охладить не только выделяемое процессором тепло, но и тепло, выделяемое самой термоэлектрической пластинкой, так как эффективность у неё не 100% и сам модуль Пельтье сильно греется.

Наш модуль Пельтье мощностью 78 Вт состоял из 128 термопар (8 рядов по 16 термопар в каждом). Он был изготовлен на заводе Остерм в Санкт-Петербурге. В каталоге продукции он именуется как K1-127-2.0/1.5S. Этот модуль имеет размеры 55×55 мм (аккурат с процессор Athlon/Duron), питается он от 12 В постоянного тока и с торцов промазан герметиком, чтобы конденсат, или влага не могли замкнуть цепи внутри пластинки и вывести её из строя. Как видно, конструкция продумана специально для оверклокеров.

Это однокаскадный модуль, его толщина составляет порядка 4 мм, что сопоставимо с толщиной процессора, поэтому крепление кулера, охлаждающего его горячую сторону, надо будет немного подогнуть в случае необходимости. А при инсталляции на сторону, к которой прилегает кулер, придётся не пожалеть термопасты, ибо хороший отвод тепла от горячей стороны позволит эффективнее охладить сам процессор. А площадь соприкосновения пластинки с радиатором, как видите, здесь большая. Намного больше, чем площадь прикосновения ядра процессора и холодной стороны пластинки. Устанавливать обычный кулер, рассчитанный на толщину одного только процессора на термоэлектрическую пластинку намного сложнее. Поэтому лучше всего использовать кулеры, крепящиеся к материнской плате через четыре отверстия вокруг гнезда, а не к самому гнезду. Здесь надо также учитывать, что из-за увеличивающийся толщины охлаждаемого тела (процессор + термопластинка) стальная скоба обычного кулера оказывает слишком большое давление на гнездо процессора и может его повредить, или отломать пластиковые зубчики крепления. Охлаждать термоэлектрический модуль надо хорошим, дорогим кулером, желательно с датчиком вращения вентилятора, потому что если он остановится, то совместно с процессором модуль Пельтье расплавит материнскую плату и сам выйдет из строя.

Про термоэлектрические модули пишут очень много, но в большинстве своём это всего лишь теория. Кто-то обещает понижение температуры процессора ниже нуля градусов по Цельсию, кто-то говорит про высокие скорости разогнанных процессоров, но те же, кто решается использовать термоэлектрические пластины для отвода тепла от процессора, сталкиваются с неожиданными, зачастую очень серьёзными проблемами.

Выбор модуля Пельтье

Прежде всего, как выбирать термоэлектрический модуль? Прежде всего, вам нужно знать ширину и длину процессора, или его ядра. В случае с процессорами, устанавливаемыми в гнездо, вам понадобится модуль, не больший размеров гнезда, но и брать слишком маленький не имеет смысла. Лучше всего, чтобы он был размером с процессор. Если же в компьютере установлен процессор в слот, то вам придётся покупать модуль размером с ядро процессора, хотя можете заказать и размером с картридж — будет стоить дороже. Потом вам понадобится знать мощность вашего процессора. Для некоторых она приведена в таблице мощностей процессоров. Если вашего процессора там нет — узнайте его мощность из документов на сайте производителя. Обычно, эта информация не скрывается от широких масс. Мощность модуля Пельтье должна быть не меньшей мощности вашего процессора, а чтобы почувствовать эффект, она должна быть большей раза в полтора-два. После того, как вы знаете мощность, убедитесь, что термоэлектрическая пластина выдаёт эту мощность именно на 12 Вольтах, а не на 36 и не на 24 В. В компьютере вам легче всего найти 12 В, и ни на какие другие предложения соглашаться нельзя. Если вы знаете разницу температур на холодной и горячей сторонах модуля Пельтье, то можете рассчитать и температуру ядра процессора с этим модулем. Формула здесь очень простая:

T=((мощность процессора)+(мощность модуля Пельтье))*(терм. сопротивление кулера)+(темп. воздуха)-(разность температур модуля)

Из этой формулы видно, что чем лучше кулер, тем эффективнее будет охлаждение. По краям обкладок TEC должен быть герметизирован, чтобы никакая влага не могла закоротить его электрические цепи. И было бы неплохо, если бы его провода заканчивались стандартным коннектором PC-Plug. Наш модуль имел следующие данные:

Производитель

Как видно, на блок питания при использовании термоэлектрического модуля ложится дополнительная весьма ощутимая нагрузка, так что этот момент тоже надо учитывать и покупать более мощный блок питания.

Установка модуля Пельтье

Вся мощность, рассеиваемая процессором (имеются в виду процессоры AMD), сосредоточена на небольшой площади — примерно 1 см 2 . Керамические пластины модуля Пельтье имеют низкую теплопроводность, поэтому в охлаждении процессора принимает участие не вся площадь термоэлектрической пластинки, а только та, которая непосредственно соприкасается с ядром процессора. Это вполне естественно, ведь тепло не может распространиться по всей площади холодной стороны модуля из-за низкой теплопроводности его обкладок. И если вы просто так установите модуль Пельтье на процессор, даже смазав его термопастой, вы рискуете сжечь мозг компьютера, ведь мощности тех нескольких термопар, располагающихся над процессором, будет недостаточно для отвода тепла от ядра, а другие участвовать в охлаждении не будут. Решить проблему может только хорошая медная прокладка между ядром процессора и термоэлектрическим модулем. Причём, если вы думаете, что вам будет достаточно установить обычную медную прокладку типа Thermaltak Copper Shim, то глубоко ошибаетесь. Эти прокладки не способны так эффективно распределить тепло по всей поверхности охладителя, как того требуется. Они вообще больше созданы для защиты от повреждения ядра, чем для помощи охлаждению, хотя с этим они тоже помогают справляться. Но для равномерного распределения тепла по поверхности модуля Пельтье вам понадобится медная пластинка, которая будет по размерам равняться модулю Пельтье и станет прокладкой между ядром процессора и холодной стороной TEC. Причём, такая пластинка должна быть ровной, не толстой, но и не слишком тонкой, чтобы равномерно распределять тепло по всему модулю охлаждения. Лучше всего её добыть из медного радиатора на процессор. Удалив рёбра из такого радиатора, мы получим уже отшлифованную с одной стороны ровную пластинку, которую останется лишь немного дополнительно обработать, обильно смазать термопастой и поместить между процессором и термоэлектрической пластиной. Сразу возникает вопрос: почему бы не сделать термоэлектрический модуль с медными обкладками? Я на этот вопрос ответить не в силах.

Читайте также:  Технология газовой резки металла – инструкция, давление в редукторах, вред для работника и техника б

Использование такой медной прокладки просто необходимо, если размер ядра процессора меньше размера термоэлектрического модуля, а в большинстве случаев это так и есть. Хотя, для процессоров Intel Pentium 4 и Celeron 4 формата Socket-478 она может и не потребоваться, ведь эти процессоры уже имеют встроенный распределитель тепла и они к тому же очень малы в размерах. Но вот в случае с процессорами AMD надо помнить, что медная прокладка ещё больше увеличит высоту, на которую надо устанавливать кулер. И я вам скажу — укрепить его будет не так-то просто.

Тестирование термоэлектрической пластины

Нам, можно сказать, повезло. Мы использовали материнскую плату SOYO DRAGON PLUS, на которую спокойно умещался один из лучших кулеров для процессоров AMD — Swiftech MCX462. Причём, укрепить его было тоже непросто — пружинки крепления к материнской плате были сжаты до предела. И если бы не защита дополнительной медной прокладкой Thermaltake Copper Shim, процессор бы погиб от ёрзающего кулера во время установки. По подсчётам, разогнанный процессор потреблял примерно 67.7 Вт вместо штатных 63 Вт.

Итак, если посмотреть на полученную систему охлаждения с торца, то снизу вверх это будет процессор AMD Athlon, прокладка Thermaltake Copper Shim, не увеличивающая высоту процессора, медная прокладка, добавляющая примерно 4.5 мм к высоте процессора, термоэлектрический модуль Пельтье, добавляющий ещё 4.6 мм к высоте процессора и сам кулер Swiftech MCX-462. То есть, мы увеличили толщину процессора примерно на 9 мм, хотя прокладку можно было бы сделать раза в два тоньше, но всё равно при сегодняшний кулерах с их креплением даже дополнительные 6 мм толщины процессора серьёзно осложнят установку кулера. Обе стороны термоэлектрического модуля и обе стороны медной прокладки обильно смазывались серебряной термопастой. Пластинка подключалась к блоку питания на напряжение 12В и, как полагается, устанавливалась на медную пластинку холодной стороной. Не смотря на дополнительную нагрузку (78 Ватт — всё же не шутка), блок питания выдержал и не давал сбоев. Для сравнения мы протестировали лучшие на сегодняшний день кулеры Swiftech MCX-462, Thermaltake Volcano7+ и систему водяного охлаждения Senfu WaterCooler II. Результаты перед вами:

Как видно, эффект от применения модуля Пельтье оправдывает все затраты и сложности, связанные с его покупкой и установкой. Явное преимущество над двумя самыми лучшими воздушными кулерами и над водяной системой охлаждения. При рассмотрении результатов надо учитывать, что модуль Пельтье охлаждался лучшим воздушным кулером, так что на более дешёвых кулерах он может показать гораздо более низкую производительность.

Выводы

Прежде чем вы пойдёте в ближайший магазин за модулем Пельтье, подумайте ещё раз — сможете ли вы обеспечить его необходимым охлаждением, потянет ли ваш блок питания дополнительную нагрузку, превосходящую сам процессор, сможете ли вы найти медную прокладку и укрепить дорогой кулер на процессор? Последний вопрос наиболее актуален, ведь из доступных на российском рынке кулеров сегодня для охлаждения термоэлектрической пластины можно рекомендовать лишь Volcano 7+, а он крепится скобой к гнезду процессора и без переделки крепления не станет на дополнительные 7-8 мм высоты процессора. Если вы включите термоэлектрическую пластинку без нагрузки, то есть, процессор будет либо вообще не греться, либо греться очень слабо, вы рискуете столкнуться с ситуацией, когда он охладится до точки росы и до образования на нём инея, что может привести к короткому замыканию контактов. Чтобы избежать этого, вам пригодилось бы термореле, отключающее модуль Пельтье, когда температура процессора равна комнатной. Дополнительное оборудование, личный опыт по защите от инея и установке кулера, — всё это рано, или поздно будет у настоящих оверклокеров, решивших охлаждать процессор одним из самых эффективных во всех отношениях способов — термоэлектрической пластиной, или модулем Пельтье.

Мы благодарим Санкт-Петербургский завод «Остерм» за предоставленные элементы Пельтье.

Михаил Дегтярёв (aka LIKE OFF)
10/06.2002

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 (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.
Читайте также:  Амортизаторы — Энциклопедия журнала За рулем

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.

Настольный кулер для воды с использованием элемента Пельтье

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.

Читайте также:  Это вам не Жигули как создавали Fiat 125, и почему он стал польским - – автомобильный журнал

ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

Элемент Пельтье TEC1-12706. Характеристики, применение, условия эксплуатации

Элемент Пельтье это термоэлектрический преобразователь, который создает разность температур на своих поверхностях при протекании электрического тока. Принцип действия основан на эффекте Пельтье – возникновении разности температур в месте контакта проводников под действием электрического тока.

Устройство и принцип действия элемента Пельтье.

Думаю, что только знатоки физики могут понять, как на самом деле работает элемент Пельтье. Для практиков главное, что существует минимальная единица модуля – термопара, представляющая из себя два соединенных проводника p и n типа.

При пропускании через термопару тока, происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n контакте. В результате, участок полупроводника, примыкающий к n-p переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то на оборот, n-p участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

Существует и обратный эффект. При нагревании одной из сторон термопары, вырабатывается электрический ток.

Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Пельтье может достигать 70 °C.

Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны, относительно другой. Т.е. чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

Для увеличения перепада температур, возможно последовательное (каскадное) соединение модулей.

Применение.

Термоэлектрические модули Пельтье применяются:

  • в небольших бытовых и автомобильных холодильниках;
  • в охладителях воды;
  • в системах охлаждения электронных приборов;
  • в термоэлектрических генераторах.

Я, используя элемент Пельтье, сделал холодильник для вина.

Достоинства и недостатки модулей Пельтье.

Как-то неправильно сравнивать элементы Пельтье с компрессорными охлаждающими установками. Совсем разные устройства – большая механическая система с компрессором, газом, жидкостью и маленький полупроводниковый компонент. А больше сравнивать не с чем. Поэтому достоинства и недостатки модулей Пельтье весьма условное понятие. Есть области, в которых они не заменимы, а в других случаях их применение совершенно нецелесообразно.

К достоинству элементов Пельтье можно отнести:

  • отсутствие механически движущихся частей, газов, жидкостей;
  • бесшумная работа;
  • небольшие размеры;
  • возможность обеспечивать как охлаждение, так и нагревание;
  • возможность плавного регулирования мощности охлаждения.
  • низкий кпд;
  • необходимость в источнике питания;
  • ограниченное число старт-стопов ;
  • высокая стоимость мощных модулей.

Параметры элементов Пельтье.

  • Qmax (Вт) – холодопроизводительность, при максимально-допустимом токе и разности температур между горячей и холодной сторонами равной 0. Считается, что вся тепловая энергия поступающая на холодную поверхность, мгновенно, без потерь передается на горячую.
  • Delta Tmax (град) — максимальная разность температур между поверхностями модуля при идеальных условиях: температура горячей стороны – 27 °C и холодная сторона с нулевой отдачей тепла.
  • Imax (А) – ток, обеспечивающий перепад температур delta Tmax.
  • Umax (В) – напряжение, при токе Imax и разности температур delta Tmax.
  • Resistance (Ом) – сопротивление модуля постоянному току.
  • COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, отношение мощности охлаждения к электрической мощности, потребляемой модулем. Т.е. подобие кпд. Обычно 0.3-0.5.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

  • Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:
    • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
    • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
    • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
  • Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
  • Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
  • Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
  • К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
  • Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
  • Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
  • Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
  • Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
  • Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

Мною был разработан контроллер элемента Пельтье для холодильника, удовлетворяющим всем этим требованиям. Он:

  • Вырабатывает питание для элемента Пельтье с пульсациями не более 2%.
  • Стабилизирует на модуле электрическую мощность, т.е. произведение тока на напряжение.
  • Обеспечивает плавное включение модуля.
  • Регулировка температуры происходит по принципу аналогового регулирования, т.е. плавного изменения мощности на элементе пельтье.
  • Контроллер разработан для холодильника, поэтому математика регуляторов учитывает инерционность охлаждения воздуха в камере.
  • Обеспечивает контроль температуры горячей стороны модуля и управление вентилятором.
  • Имеет высокий кпд, широкие функциональные возможности.

Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706.

Это самый распространенный тип элемента Пельтье. Используется во многих бытовых приборах. Не дорогой, с неплохими параметрами. Хороший вариант для изготовления маломощных холодильников, охладителей воды и т.п.

Характеристики модуля TEC1-12706 привожу в переводе на русский из документации TEC1-12706.pdf компании производителя – HB Corporation.

Технические параметры TEC1-12706.

Обозначение Параметр Значение, при температуре горячей стороны
25 °C 50 °C
Qmax Холодопроизводительность 50 Вт 57 Вт
Delta Tmax Разность температур 66 °C 75 °C
Imax Максимальный ток 6.4 А 6.4 А
Umax Максимальное напряжение 14.4 В 16.4 В
Resistance Сопротивление 1.98 Ом 2.3 Ом

Графические характеристики.

Габаритный чертеж модуля TEC1-12706.

Обозначение Размер
A 40 мм
B 40 мм
C 3.8 мм

Рекомендации по эксплуатации.

  • Максимально – допустимая температура 138 °C.
  • Не допустимо превышение значения параметров Imax и Umax.
  • Срок службы 200 000 часов.
  • Параметр частота отказов основан на длительных испытаниях с выборкой 0.2%.
  • Производитель — HB Corporation.

Пример разработки на элементе Пельтье — холодильник для вина.

Ссылка на основную публикацию
Электропроводка УАЗ 31514 переход на бесконтактное электронное зажигание пошаговая инструкция с фото
Порядок зажигания УАЗ подводное, своими руками, чертежи, схема бесконтактного, установка, как выстав Порядок зажигания на УАЗе зависит от схемы, которая...
Экологический транспорт существующие решения, преимущества и недостатки
Как Россия переходит на экологичный транспорт TLnews Переход на «зелёный» транспорт — несомненно, польза для экологии. Но что за этим...
Экомаркировка Листок жизни, Европейски цветок, Северный лебедь
Экологические знаки 1. Символы утилизации 2.Символы этичной продукции Что такое этичная продукция? Это товары и услуги, производство и потребление которых...
Электросамокат — оптимальное средство передвижения по городу
Правила движения на электросамокате в 2020 году - Блог об электротранспорте ПДД для электросамокатов в России все время изменяются и...
Adblock detector