Модуль Пельтье: технические характеристики
Термопреобразователь (модуль Пельтье) работает по принципу, обратному действию термопары, — появлению разности температур, когда протекает электрический ток.
Как работает элемент Пельтье?
Довольно просто применять модуль Пельтье, принцип работы которого заключается в выделении или поглощении тепла в момент контакта разных материалов при прохождении через него тока. Плотность энергетического потока электронов перед контактом и после него отличается. Если на выходе она меньше, значит, там выделяется тепло. Когда электроны в контакте тормозятся электрическим полем, они передают кинетическую энергию кристаллической решетке, разогревая ее. Если они ускоряются, тепло поглощается. Это происходит за счет того, что часть энергии забирается у кристаллической решетки и происходит ее охлаждение.
В значительной степени это явление присуще полупроводникам, что объясняется большой разностью зарядов.
Модуль Пельтье, применение которого является темой нашего обзора, используется при создании термоэлектрических охлаждающих устройств (ТЭМ).
Простейшее из них состоит из двух полупроводников p- и n-типов, последовательно соединенных через медные контакты.
Если электроны движутся от полупроводника «p» к «n», на первом переходе с металлической перемычкой они рекомбинируют с выделением энергии. Следующий переход из полупроводника «p» в медный проводник сопровождается «вытягиванием» электронов через контакт электрическим полем. Данный процесс приводит к поглощению энергии и охлаждению области вокруг контакта. Аналогичным образом происходят процессы на следующих переходах.
При расположении нагреваемых и охлаждаемых контактов в разных параллельных плоскостях получится практическая реализация способа. Полупроводники изготавливаются из селена, висмута, сурьмы или теллура. Модуль Пельтье вмещает большое количество термопар, размещенных между керамическими пластинами из нитрида или оксида алюминия.
Факторы, влияющие на эффективность ТЭМ
- Сила тока.
- Количество термопар (до нескольких сотен).
- Типы полупроводников.
- Скорость охлаждения.
Больших величин достигнуть пока не удалось из-за низкого КПД (5-8 %) и высокой стоимости. Чтобы ТЭМ успешно работал, надо обеспечить эффективный отвод тепла с нагреваемой стороны. Это создает сложности в практическом воплощении способа. Если изменить полярность, холодная и горячая стороны меняются друг с другом.
Достоинства и недостатки модулей
Потребность в ТЭМ появилась с возникновением электронных устройств, нуждающихся в миниатюрных системах охлаждения. Преимущества модулей следующие:
- компактность;
- отсутствие подвижных соединений;
- модуль Пельтье принцип работы имеет обратимый при смене полярности;
- простота каскадных соединений для повышения мощности.
Главным недостатком модуля является низкий КПД. Это проявляется в больших затратах мощности при достижении требуемого эффекта охлаждения. Кроме того, он обладает высокой стоимостью.
Применение ТЭМ
Пельтье модуль применяется преимущественно для охлаждения микросхем и небольших деталей.
Начало было положено для охлаждения элементов военной техники:
- микросхемы;
- инфракрасные детекторы;
- элементы лазеров;
- кварцевые генераторы.
Термоэлектрический модуль Пельтье постепенно стал применяться в бытовой технике: для создания холодильников, кондиционеров, генераторов, терморегуляторов. Главным его назначением является охлаждение небольших объектов.
Охлаждение процессора
Основные компоненты компьютеров постоянно совершенствуются, что приводит к росту тепловыделения. Вместе с ними развиваются системы охлаждения с применением новаторских технологий, с современными средствами контроля. Модуль Пельтье применение в данной сфере нашел прежде всего в охлаждении микросхем и других радиодеталей. С форсированными режимами разгона микропроцессоров традиционные кулеры уже не справляются. А увеличение частоты работы процессоров дает возможность повысить их быстродействие.
Увеличение скорости вращения вентилятора приводит к значительному шуму.
Его устраняют за счет использования модуля Пельтье в комбинированной системе охлаждения. Таким путем передовые фирмы быстро освоили производство эффективных охлаждающих систем, которые стали пользоваться большим спросом.
С процессоров тепло обычно отводится кулерами. Воздушный поток может засасываться снаружи или поступать изнутри системного блока. Главная проблема состоит в том, что температура воздуха порой оказывается недостаточной для теплоотвода. Поэтому ТЭМ стали использовать для охлаждения потока воздуха, поступающего в системный блок, тем самым повышая эффективность теплообмена. Таким образом, встроенный воздушный кондиционер является помощником традиционной системы охлаждения компьютера.
С обеих сторон модуля крепятся алюминиевые радиаторы. Со стороны холодной пластины нагнетается воздух на охлаждение к процессору. После того как он заберет тепло, его выдувает другой вентилятор через радиатор горячей пластины модуля.
Современный ТЭМ управляется электронным устройством с датчиком температуры, где степень охлаждения пропорциональна разогреву процессора.
Активизация охлаждения процессоров создает также некоторые проблемы.
- Простые охлаждающие модули Пельтье предназначены для непрерывной работы. При пониженном энергопотреблении также уменьшается тепловыделение, что может вызвать переохлаждение кристалла и последующее зависание процессора.
- Если работа кулера и холодильника не будет должным образом согласована, последний может перейти в режим нагрева вместо охлаждения. Источник дополнительного тепла вызовет перегрев процессора.
Таким образом, для современных процессоров нужны передовые технологии охлаждения с контролем работы самих модулей. Подобные изменения режимов работы не происходят с видеокартами, которые также требуют интенсивного охлаждения. Поэтому для них ТЭМ подходит идеально.
Автохолодильник своими руками
В середине прошлого века отечественная промышленность пыталась освоить выпуск малогабаритных холодильников, основанных на эффекте Пельтье. Существующие технологии того времени не позволили этого сделать.
Сейчас сдерживающим фактором преимущественно является высокая цена, но попытки продолжаются, и успехи здесь уже достигнуты.
Широкое производство термоэлектрических устройств позволяет создать своими руками небольшой холодильник, удобный для использования в автомобилях. Его основой является «сэндвич», который делается следующим образом.
- На верхний радиатор наносится слой теплопроводной пасты типа КПТ-8 и приклеивается Пельтье модуль с одной стороны керамической поверхности.
- Аналогично к нему крепится с нижней стороны другой радиатор, предназначенный для помещения в камеру холодильника.
- Все устройство плотно сжимается и просушивается в течение 4-5 часов.
- На обоих радиаторах устанавливаются кулеры: верхний будет отводить тепло, а нижний — выравнивать температуру в камере холодильника.
Корпус холодильника делается с теплоизолирующей прокладкой внутри. Важно, чтобы он плотно закрывался. Для этого можно использовать обычный пластиковый ящик для инструментов.
Питание 12 В подается из системы автомобиля. Его можно сделать и от сети 220 В переменного тока, с блоком питания. Схема преобразования переменного тока в постоянной применяется самая простая. Она содержит выпрямительный мост и сглаживающий пульсации конденсатор. При этом важно, чтобы на выходе они не превышали величину 5 % от номинального значения, иначе эффективность устройства снижается. У модуля имеются два вывода из цветных проводов. К красному всегда подключается «плюс», к черному — «минус».
Мощность ТЭМ должна соответствовать объему бокса. Первые 3 цифры маркировки означают количество пар полупроводниковых микроэлементов внутри модуля (49-127 и более). Сила тока выражается двумя последними цифрами маркировки (от 3 до 15 А). Если мощности недостаточно, надо приклеить на радиаторы еще один модуль.
Обратите внимание! Если сила тока будет превосходить мощность элемента, он будет нагреваться с обеих сторон и быстро выйдет из строя.
Модуль Пельтье: генератор электрической энергии
ТЭМ можно использовать для выработки электроэнергии.
Для этого надо создать перепад температуры между пластинами, и расположенные между ними термопары будут вырабатывать электрический ток.
Для практического использования нужен ТЭМ не менее чем на 5 В. Тогда с его помощью можно будет заряжать мобильный телефон. Из-за низкого КПД модуля Пельтье потребуется повышающий преобразователь постоянного напряжения. Для сборки генератора понадобятся:
- 2 модуля Пельтье ТЕС1-12705 с размером пластин 40х40 мм;
- преобразователь ЕК-1674;
- алюминиевые пластины толщиной 3 мм;
- кастрюля для воды;
- термостойкий клей.
Между пластинами помещаются два модуля на клей, а затем вся конструкция фиксируется на дне кастрюли. Если ее заполнить водой и поставить на огонь, получится необходимая разность температуры, вырабатывающая ЭДС порядка 1,5 В. Подключив модули к повышающему преобразователю, можно повысить напряжение до 5 В, необходимых для зарядки аккумулятора телефона.
Чем больше разница температуры между водой и нижней подогреваемой пластиной, тем генератор работает эффективней.
Поэтому надо стараться снижать нагрев воды разными способами: сделать ее проточной, почаще заменять свежей и т. п. Действенным средством увеличения разности температур является каскадное включение модулей, когда они накладываются слоями один на другой. Увеличение габаритных размеров устройства позволяет поместить между пластинами больше элементов и тем самым увеличить общую мощность.
Производительности генератора будет достаточно для зарядки небольших аккумуляторов, работы светодиодных ламп или радиоприемника. Обратите внимание! Для создания термогенераторов потребуются модули, способные работать при 300-400 0С! Остальные подойдут только для пробных испытаний.
В отличие от других средств альтернативного получения электроэнергии они могут работать во время движения, если создать что-то типа каталитического нагревателя.
Отечественные модули Пельтье
ТЭМ своего производства появились у нас на рынке не так давно. Они отличаются высокой надежностью и имеют хорошие характеристики.
Модуль Пельтье, который пользуется широким спросом, имеет размеры 40х40 мм. Он рассчитан на максимальный ток 6 А и напряжение до 15 В.
Отечественный модуль Пельтье купить можно за небольшую цену. При потребляемой мощности 85 Вт он создает температурный перепад 60 0С. Вместе с кулером он способен защитить от перегрева процессор с рассеиваемой мощностью 40 Вт.
Характеристики модулей ведущих фирм
Зарубежные устройства представлены на рынке в большем разнообразии. Для защиты процессоров ведущих фирм применяется в качестве холодильника РАХ56В модуль Пельтье, цена которого в комплекте с вентилятором составляет $35.
При размерах 30х30 мм он поддерживает температуру процессора не выше 63 0С при выделяемой мощности 25 Вт. Для питания достаточно напряжения 5 В, а ток не превышает 1,5 А.
Хорошо подходит под охлаждение процессора модуль Пельтье РА6ЕХВ, обеспечивающий нормальный температурный режим при мощности рассеивания 40 Вт. Площадь его модуля составляет 40х40 мм, а потребляемый ток — до 8 А. Кроме внушительных размеров — 60х60х52,5 мм (вместе с вентилятором) — устройство требует наличия вокруг него свободного пространства. Цена его составляет $65.
Когда применяется модуль Пельтье, технические характеристики у него должны соответствовать потребностям охлаждаемых устройств. Недопустимо, чтобы у них была слишком низкая температура. Это может привести к конденсации влаги, которая губительно действует на электронику.
Модули для изготовления генераторов, такие как ТЕС1-12706, ТЕС1-12709, отличаются большей мощностью — 72 Вт и 108 Вт соответственно. Их различают по маркировке, всегда наносимой на горячую сторону. Максимальная допускаемая температура горячей стороны у них составляет 150-160 0С. Чем больше температурный перепад между пластинами, тем выше получается напряжение на выходе. Устройство работает при максимальном температурном перепаде 600 0С.
Модуль Пельтье купить можно недорого — порядка $10 и менее за штуку, если хорошо поискать. Довольно часто продавцы значительно завышают цены, но можно найти в несколько раз дешевле, если приобретать на распродаже.
Заключение
Эффект Пельтье нашел применение в настоящее время в создании небольших холодильников, необходимых современной технике. Обратимость процесса дает возможность изготовить микроэлектростанции, востребованные для зарядки аккумуляторов электронных устройств.
В отличие от других средств альтернативного получения электроэнергии, они могут работать во время движения, если установить каталитический нагреватель.
Элемент Пельтье: характеристики, описание, применение
Справочник
Впервые я столкнулся с элементами Пельтье (ЭП) несколько лет назад, когда разрабатывал устройство охлаждения воды в аквариуме. Сегодня ЭП стали еще более доступными, а сфера их применения существенно расширилась. К примеру, в охладителях воды, которые часто можно встретить в офисах, используются ЭП. Там они в форме квадрата 4×4 см (рис.2)с помощью специальной термопасты и стяжных винтов закреплены между радиатором охлаждения и корпусом водяного резервуара, “холодной” поверхностью к резервуару. Распространены и другие ЭП.
Рис. 2 Элемент Пельтье
В основе работы элемента Пельтье лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье. В 1834 г. Пельтье обнаружил, что при протекании постоянного тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощается или выделяется тепло (в зависимости от направления тока). Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и пропорциональна проходящему току. Элемент Пельтье обратим. Если приложить к нему разность температур, в цепи потечет ток.
Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате, происходит охлаждение.
Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае использования полупроводников (р- и n-типа проводимости). В зависимости от направления электрического тока через р-n-переходы вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (р), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется.
Рис. 3 Эффект Пельтье
Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника (ветки) p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном соединении нескольких таких термопар теплота (Qc), поглощаемая на контакте типа n-р, выделяется на контакте типа p-n (Qh). В результате, происходит нагрев (Тh) или охлаждение (Тс) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к р-п-переходу (рис.3), и возникает разность температур (AT=Th-Tc) между его сторонами: одна пластина охлаждается, а другая нагревается. Традиционно сторона, к которой крепятся провода, горячая, и она изображается снизу.
Рис. 4
Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар (рис.4), обычно соединенных между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла. Термопары помещаются между двух керамических пластин (рис.5). Ветки напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к специальной теплопроводящей керамике, например, из оксида
Рис. 5 Термоэлектрический модуль Пельтье
алюминия. Количество термопар может варьироваться в широких пределах (от нескольких единиц до нескольких сотен), что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки (селен и сурьму).
Рис. 6
Типичный модуль (рис.6) обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающейся поверхности вторая поверхность-холодильник позволяет достичь отрицательных значений температуры. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье (рис.7) при обеспечении их достаточного охлаждения. Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют “активными холодильниками Пельтье” или просто “кулерами Пельтье”.
Рис. 7, каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье
Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их более эффективными по сравнению со стандартными кулерами на основе радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей и их принципа работы.
Большое значение имеет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размеров. Модуль малой мощности не обеспечит необходимого охлаждения, что может привести к нарушению работы защищаемого элемента вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до
Рис. 8, активный кулер, на основе полупроводникового модуля Пельтье
уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных устройств. Модули Пельтье в процессе работы выделяют сравнительно большое количество тепла. По этой причине следует применять в составе кулера мощный вентилятор. На рис.8 показан активный кулер, в котором использован полупроводниковый модуль Пельтье.
Подаваемое на модуль напряжение определяется количеством пар ветвей в модуле. Наиболее распространенными являются 127-парные модули, максимальное напряжение для которых составляет примерно 16 В. Но на эти модули обычно подается напряжение питания 12 В, т.е. примерно 75% Umax. Такой выбор напряжения питания в большинстве случаев является оптимальным: позволяет обеспечить достаточную мощность охлаждения при приемлемой экономичности. При повышении напряжения питания более 12 В увеличение холодильной мощности незначительно, а потребляемая мощность резко увеличивается. При понижении напряжения питания экономичность растет, поскольку холодильная мощность также уменьшается, но линейно.
Табл.1 элемент Пельтье, характеристики
|
Тип модуля |
|
Характеристики |
|||
|
Imax,A |
Umax,B |
Qmax,Bт |
ΔTmax, 0C |
Размеры, мм |
|
|
А-ТМ8,5-27-1 ,4 |
8,5 |
| 15,4 |
|
72 |
40x40x3,7 |
|
А-ТМ8,5-127-1,4HR1 |
8,5 |
15,4 |
72,0 |
71 |
40x40x3,4 |
|
А-ТМ8,5-127-1,4HR2 |
8,5 |
15,4 |
72,0 |
70 |
140x40x3,7 |
|
А-ТМб.0-127-1,4 |
6,0 |
15,4 |
53,0 |
72 |
40x40x4,2 |
|
А-ТМ6,0-127-1.4HR1 |
6,0 |
15,4 |
53,0 |
71 |
40x40x3,8 |
|
А-ТМ6,0-127-1,4HR2 |
6,0 |
15,4 |
53,0 |
70 |
40x40x4,2 |
|
А-ТМЗ,9-127-1,4 |
3,9 |
15,4 |
35,0 |
73 |
40x40x5,1 |
|
А-ТМЗ,9-127-1,4HR1 |
3,9 |
15,4 |
35,0 |
71 |
40x40x4,8 |
|
А-ТМЗ,9-127-1,4HR2 |
3,9 |
15,4 |
35,0 |
70 |
40x40x5,1 |
|
A-TM3,9-127-1,4 |
3,9 |
15,4 |
34,0 |
71 |
30x30x3,9 |
|
А-ТМЗ,9-127-1,4HR1 |
3,9 |
15,4 |
34,0 |
70 |
30x30x3,9 |
|
А-ТМЗ,9-127-1,4HR2 |
3,9 |
15,4 |
34,0 |
70 |
30x30x3,9 |
|
А-ТМ37,5-49-3,0 |
37,5 |
5,9 |
130,0 |
71 |
40x40x4,3 |
|
A-TM37,5-49-3,0HR1 i |
8,5 |
15,4 |
72,0 |
70 |
40x40x4,3 |
|
A-TM6,0-31-1,4 |
6,0 |
3,75 |
12,5 |
72 |
20x20x4,2 |
|
A-TM6,0-31-1,4HR1 |
6,0 |
3,75 |
12,5 |
72 |
20x20x4,2 |
Примечание: модули с маркировной HR1 и HR2 отличаются повышенной надежностью.
Для модулей с другим числом пар ветвей (отличным от 127) напряжение можно выбирать по тому же принципу: 75% от U
При эксплуатации важен надежный термический контакт между теплообменником и радиатором, поэтому ТЭМ крепится с использованием термопроводящей пасты (например, КПТ-8). Если нет специальной термопасты, можно с успехом применить фармакологические средства, купленные в аптеке, например, пасту Лассари или салицилово-цинковую пасту.
Поскольку максимальная температура на горячей стороне ТЭМ достигает +80°С (в высокотемпературных охладителях фирмы Supercool — +150°С), важно, чтобы ЭП охлаждался правильно. Горячая поверхность ТЭМ должна быть обращена к радиатору, с другой стороны которого установлен вентилятор охлаждения (поток воздуха направляется от радиатора). Вентилятор и ТЭМ в соответствии с полярностью подключаются к источнику питания, который может быть простейшим: понижающий трансформатор, выпрямитель на диодах и сглаживающий оксидный конденсатор. Но пульсации питающего напряжения не должны превышать 5%, в противном случае эффективность ТЭМ уменьшается. Лучше, если вентилятор и ТЭМ управляются электронным устройством на основе компаратора и датчика температуры. Как только температура охлаждаемого объекта повышается свыше установленного порога, автоматически включаются охладитель и вентилятор, и начинается охлаждение. Степень охлаждения (или нагрева) пропорциональна проходящегому через ТЭМ току, что позволяет с высокой точностью регулировать температуру “обслуживаемого” объекта.
Термоэлектрические модули загерметизированы, так что их можно применять даже в воде. Керамическая поверхность ТЭМ зашлифована, к ламелям (выводам) припаяны черный (“-”) и красный (“+”) провода. Если ТЭМ (рис.2) расположить выводами к себе так, чтобы черный провод был слева, а красный справа, сверху будет холодная сторона, а снизу — горячая. Маркировка обычно наносится на горячую сторону.
Табл.2
|
Температура воздействия, 0С |
Место воздействия (сторона 1 или 2)* |
Время воздействия, сек |
Сотротивление (по прошествии времени воздействия), кОм |
|
19 |
1,2 |
Постоянное |
87 |
|
36 |
1 |
2 |
64 |
|
36 |
2 |
2 |
136 |
|
Нагрев зажигалкой |
1 |
2 |
10 |
|
Нагрев зажигалкой** |
2 |
2,4 |
>2000 |
|
-5 (в холодильнике) |
1,2 |
300 |
135 |
|
-20 (на улице зимой) |
1,2 |
300 |
98 |
|
36 после охлаждения в холодильнике (-5) |
1 |
2 |
45 |
|
36 после охлаждения на улице (-20) |
1 |
2 |
404 |
|
100 (кипящая вода) |
1,2 |
60 |
2 |
|
Топка русской печи (открытое пламя) |
1,2 |
60 |
0,06 |
Примечания:
* — сторона 1 — сторона с нанесенной маркировкой, сторона 2 — обратная сторона (относительно маркировки).
** При нагреве тыльной стороны в течение 4 с зажигалкой с открытым пламенем, касавшимся поверхности ЗП, на выводах был зафиксирован ток 200 мкА.
Наиболее «ходовые» типы модулей Пельтье — это однокаскадные модули максимальной мощностью до 65 Вт (12 В) и 172 Вт (24 В). Обозначения модулей расшифровываются следующим образом: первое число — это количество термопар в модуле, второе — ширина сторон ветки (в мм), третье — высота ветки (в мм). Например, ТВ-127-1,4-1,5 — модуль, состоящий из 127 пар термоэлектрических веток, размеры которых 1,4×1,4×1,5 мм. Размеры модулей — 40×40 мм, толщина — около 4 мм. Стандартные однокаскадные модули выпускаются с максимальной мощностью до 70 Вт (12 В) и 172 Вт (24 В). Типовые параметры ТЭМ приведены в табл.1.
Табл.3 Параметры термоэлектрического генератора
|
Параметр |
Значение |
|
Длина, мм |
252 |
|
Ширина, мм |
252 |
|
Высота, мм |
170 |
|
Масса, кг, не более |
8,5 |
|
Выходное напряжение, В |
12 |
|
Максимальная выходная мощность, Вт |
25 |
|
Температура установочной повехности, °С, не более |
300 |
Рис. 9 термоэлектрический генератор
В экспериментах с ТЭМ я проверил изменение его сопротивления в разных режимах. К выводам (ламелям) модуля подключался тестер М830 в режиме измерения сопротивления. Результаты сведены в табл.2. При температурном воздействии, большем чем комнатная температура, на сторону ТЭМ с маркировкой, его сопротивление уменьшалось, на оборотную сторону — пропорционально увеличивалось (в строках 2 и 3 таблицы показана реакция на прикосновение ребром ладони к поверхности ТЭМ, температура указана приблизительно 36°С).
Учитывая обратимость элементов Пельтье, на их основе можно разрабатывать источники электропитания. Например, термоэлектрический генератор “В25-12(М)” компании “Криотерм” (рис.9) позволяет заряжать аккумуляторы мобильных телефонов, цифровых фотоаппаратов, смотреть телевизор, продолжительное время работать на ноутбуке и пр. Единственное требование — нужна нагретая поверхность размерами 20×25 см. Параметры генератора приведены в табл.3.
А.Кашкаров.
практические характеристики термоэлектрических модулей Пельтье и термопар
вопрос:
Можно ли получать электричество от термомодулей Пельтье?
Thermoelectric generator of electrical current: Peltier modules or Thermocouples?
Конструкция термоэлементов, принцип работы, технические полезности — Конструкция и работа термоэлемента Пельтье.
Рассказы про то, что термоэлектрические модули Пельтье (Peltier modules) генерируют электрический ток — сильно преувеличены.
Реальность выработки электричества полупроводниковыми Пельтье модулями намного труднее.
0. Вольтаж металлических термопар имеет порядок десятков микровольт (не милливольт!) на градус Кельвина, а вольтаж элементов Пельтье (полупроводники) — десятки милливольт на градус
Например, популярная хромель-константановая термопара (thermocouple type E, chromel-constantan, ТХКн — на кириллице) дает напряжение 68 µV/°C.
То есть, 1 термопара — контакт при разнице температур горячего и холодного спаев в 1000 градусов Цельсия даст всего 68 милливольт напряжения.
Вольтаж полупроводниковых термомодулей больше, чем у термопар:
Например, Пельтье-модуль TEG1-12611-6.0 имеет около 0,032 вольт/градус **.
Модуль — это сборка из полупроводниковых кристаллов, например, сборка из 128 микроэлементов-полупроводников, включенных последовательно.
Или термомодуль TEC1-12706 (в режиме холодильника — максимальная потребляемая мощность 92 ватта; в режиме генерации напряжения ни вольт/градусы, ни мощность не нормированы). В реальности модуль TEC1-12706 при разнице температур между холодной и горячей сторонами в около 20 градусов C выдает напряжение 0,5 вольта, при температуре холодной стороны керамики в 22 градуса Ц — 0,017 вольт/градус.
* Здесь указаны градус на вольты при разомкнутой цепи термоэлементов, при нулевом токе и нулевой генерируемой электрической мощности.
Но зато термопары способны работать и при 1800 °C, чего нельзя сказать про полупроводниковые термомодули. Зато вольтаж у термомодулей выше!
Разброс параметров по напряжению/температуре у полупроводниковых сборок составляет около +-40%. Все кристаллы полупроводники такие — точность достигается выбраковкой продукции.
** Зависимость температура/напряжение у термопар и тем более полупроводниковых термопар является немного нелинейной.
1. Полупроводниковые модули Пельтье имеют малую теплостойкость, обычно ограниченную примерно 150 градусами, и маленькую допустимую разность рабочей температуры между горячей и холодной сторонами — часто менее 100 градусов температурного градиента
Термогенераторы-охладители Пельтье чаще собираются на керамических платах — две пластины с медными дорожками, между которыми организуются спаи с полупроводником. Понятно, что при высокой температуре полупроводниковые кристаллы ускоренно деградируют, а при изменениях разницы температур между пластинами — сторонами элемента Пелтие — возникают механические напряжения, через спаи с полупроводниками.
2. Модули Пельтье имеют высокую теплопроводность
Обратимость эффекта Зеебека (Peltier — Seebeck and Thomson thermoelectric effect):
При разнице температур между холодным и горячим спаями (сторонами термоэлемента) возникает разница электрических потенциалов.
И наоборот, при протекании электрического тока одна сторона термомодуля нагревается, вторая сторона охлаждается.
Но!
Термомодули Пельтье имеют высокую теплопроводность — энергия теплового потока через термо-элементы обычно превышает более, чем в 10 раз генерируемую электрическую мощность.
(Причина — в конструкции термомодулей — см. выше. Если бы «половинки» кристаллов в термомодуле находились на гибких проводниках между собой, а жесткий спай только к одной плате-пластине, то температурный диапазон, долговечность «вечных» модулей Пельтье была бы намного выше, а теплопроводность — ниже.)
Например, TEG1-12611-6.0 при hot side temperature 300 C и cold side temperarure 30 C при согласованной нагрузке имеет тепловой поток 365 ватт, а выходную электрическую мощность 14,6 ватт.
Этот КПД полупроводниковых термоэлектрических модулей как источников тока 3-5% является типичным.
Достижения термоэлектричества и КПД
термоэлектрический генератор постоянного тока
thermoelectric-generator.com/products/teg-thermoelectric-power-generators-for-sale/:
TEG 12 VDC-24 AIR
Max 20 Watt Output
Cost $429
Но 20 ватт это термоэлектрическое устройство из 8 модулей Пельтье и электронного стабилизатора дает примерно при температуре 400 °C.
Таким образом, модули Пельтье, изготовленные как впаянные полупроводниковые кристаллы между керамическими пластинами, являются в 25 раз больше теплообменниками (на примере TEG1-12611-6.0), чем электрическими генераторами термоэлектричества.
Из чего я делаю вывод: использовать модули Пельтье в самодоме по прямому назначению, для теплопередачи. А электричество — как побочный продукт. В этом случае коэффициент полезного действия пп-термомодулей достигает почти 100 процентов. Подробно — читайте статью в Самодоме «Полупроводниковые термоэлементы как жидкостные теплообменники, попутно дающие электроэнергию».
Отсутствие в электрическом термогенераторе:
движущихся частей
высоких температур
бесшумность, отсутствие вибрации
является огромным плюсом,
но высокая цена ватта является не менее огромным минусом.
Но при низкой температуре и низкой разнице температур между горячей и холодной сторонами термоэлемента, и их постоянстве, время эксплуатации термомодуля стремится к бесконечности, следовательно, себестоимость термоэлектрического электричества стремится к нулю.
При условии бесплатного тепла и холода — тепловой энергии.
А этого добра (бесплатной тепловой энергии) есть вокруг самодома… очень много. (см. иллюстрацию-схему www.envirociety.org)
Отмечу, что эффективный теплообмен с пластинами-сторонами термоэлектрических модулей на практике возможен только с принудительной циркуляцией жидкости — тепло-холод носителя, то есть работа термоэлектрических модулей все-таки сопряжена с механикой — ротором циркуляционного насоса.
И еще о КПД:
Максимальную мощность термомодуль Пельтье дает, естественно, на согласованной нагрузке.
(В омическом упрощении с абстракцией «постоянный ток» максимальная полезная мощность на нагрузке выделяется тогда, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению электрического генератора, а сопротивление подводящих проводов стремится к нулю. Этот максимум и есть согласованнная нагрузка.)
Согласованная нагрузка термоэлемента — немного сложнее, ибо само понятие постоянное омическое сопротивление является неприменимым к термозависимым полупроводникам.
В Specifications TEG Module TEG1-12611-6.0 приведен график напряжения и электрической мощности модуля термогенератора:
(сайт thermoelectric-generator.com)
Классический «горб» по закону Ома, но немного «кривой» из-за термоэффектов.
(график «Output Voltage (V) — Output Power (W)»)
Обратите внимание: при температуре холодной стороны термомодуля 30 градусов Ц и температуре горячей стороны термомодуля 300 градусов Ц.
На примере канадского «печного» термоэлектрического электрогенератора TEG 12 VDC-24 AIR видно, что 1 ватт термоэлектричества стоит 21,45 доллара, при 400 градусах Ц.
Кстати, термоэлектрический генератор может оказаться прекрасным дополнением к каминной и печной трубам, если отвод тепла с холодной стороны термоэлементов делать в воздух около пола — вниз, и подальше от печки.
См: stove.netnotebook.net — Каминные и печные работы.
(Печь или камин с водяной рубашкой «в СССР» называют котлом.)
Термоэлементы:
Китайская потребляемая мощность термоэлектрического холодильника никак не равна генерируемой электрической мощностью термоэлектрического генератора. Соотношение примерно 7:1 (потребляемая электрическая мощность : генерируемая электрическая мощность), для современных полупроводниковых модулей.
источники:
(1)
Specifications TEG Module TEG1-12611-6.0
www.Thermoelectric-generator.com
(2)
Собственные измерения параметров термоэлементов
(3)
Обслуживание термопар как средств измерений
последние изменения статьи 27сен2013, 01мар2015
TEC1-12706 термоэлектрический модуль Пельтье
Данный модуль предназначен для охлаждения или нагрева чего-либо с помощью электричества. Подробности читаем далее.Прочитав информацию о том, как работают автомобильные холодильники, я сделал вывод что сложного там нету, и стоит попробовать самому, или хотя бы поэкспериментировать что это за зверь модуль Пельтье.
Заказал я несколько штук для эксперимента. Приехали в коробке целые.
Модуль представляет из себя керамические пластины 40 мм. * 40 мм. * 4 мм., между которыми полупроводники. При прохождении тока, одна пластина нагревается, а вторая охлаждается. Процесс этот мгновенный. По заявленным характеристикам, модуль генерирует разность температур между сторонами пластин в 66*С при этом максимум потребляет 6 ампер. При тесте было замечено, что этот максимум только при старте, спустя пару секунд потребляемый ток падает до 2.2А и это является его рабочее состояние. Существуют модели, которые заявлено потребляют 5, 4, 3 и даже 2 ампера, и я думаю что эти заявленные характеристики также только при старте, а дальше реальный потребляемый ток гораздо меньше, при том же параметре разницы температур в 66*С. Стоит предположить, что такие модули обладают большим КПД, но проверить нету возможности, да и такие модули немного дороже чем 12706.
К сожалению с фотографиями вышла проблема и осталась только одна фотка с теста. Тестировал таким образом: горячую сторону приложил на радиатор от видеокарты (без пасты и прижатия) тем самым охлаждал горячую сторону чтоб холодная остывала. для замера температуры использовал электронный термометр с датчиком. Спустя 20 минут от старта на холодной части модуля был слой льда, датчик также обледенел и показал -4.5 *С. при комнатной температуре ~26.
Поскольку нагрев горячей стороны с радиатором и кулером был не значительным — около 40 *С, то проверял ещё:
Второй тест, от которого фотки пропали был таким: между двумя радиаторами от процессора. горячую сторону охлаждал кулером, а холодная сторона была просто прижата к радиатору. при большой плоскости отдачи холода в комнату, температурный датчик холодного радиатора опустился до 13 *С и был весь покрыт инеем.
Если холодную часть положить в термобокс и дать чтоб холод циркулировался там и не уходил в окружающую среду, то я думаю с одного модуля можно получить хороший результат для маленького объема. Для реального же автохолодильника литров хоть на 15 одним модулем не обойтись, хотя все зависит от термоизоляции самого бокса.
Вывод: чем больше получиться охладить горячую сторону — тем больше у нас будет холода.
Если у кого-то есть опыт работы с этими модулями в разных модификациях — прошу писать свои замечания в комментариях, буду рад ответить на вопросы и выслушать Ваше мнение.
Модуль Пельтье TEC1-12706, характеристики и использование
В данной статье мы рассмотрим модуль Пельтье для процессора, его охлаждения. Далее подробнее о принципах его работы, свойствах и видео с демонстрацией работы, нужной для использования в компьютере. Купить этот модуль можно в этом китайском магазине. Зайдя по ссылке, сразу увидите предложения оптом и в розницу (есть предложения с бесплатной доставкой) Пельтье TEC1-12706. Есть и кулер охлаждения.
Элемент Пельтье — это преобразователь контрастной энергии разницы температур в электричество или наоборот, электроэнергии в холод. Принцип работы модулей Пельтье основан на двух явлениях – эффект Пельтье и эффект Зеебека.
Эффект Пельтье — создание разности температур при прохождении электричества по двум разнородным полупроводникам. В маркировке элементов (например ТЕС1-12706) буквосочетание TEC означает английские слова Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель.
Товары для изобретателей. 🔥 Перейти в магазин. Ссылка.Эффект, обратный описанному выше, называется эффектом Зеебека. Это возникновение электричества в электрической цепи из последовательно соединённых разнородных проводников, которые имеют контрастные температуры (один полупроводник нагрет, второй охлажден). Этот эффект функционирует при использовании модуля как электрогенератора.
Однако нас интересует в данном случае конкретная модель – термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706, его характеристики.
Итак: напряжение для запитки устройства от 3,7 до 12 Вольт (чем выше подается на элемент напряжение, тем более мощный эффект охлаждения) номинальное напряжение питания 12 Вольт; максимальный ток при 12 Вольт 4,5 А, мощность устройства 50- 60 Вт; наибольшая разница температур, который дает модуль 60 градусов Цельсия; размер: 40 х 40 х 4 мм, вес: до 25 гр.
Структура и механизм работы модуля Пельтье TEC1-12706.
Модуль представляет собой ряд последовательно связанных полупроводниковых элементов типа “n” и “p”. Когда постоянный ток проходит через данное соединение, одна сторона p-n контактов нагревается, другая напротив охлаждается. Данные элементы укреплены на двух керамических пластинах в таком порядке, чтобы нагревающиеся контакты расположились на одной пластине, а охлаждающиеся – на второй. Если зажать между двумя пальцами модуль и включить ток, то можно сразу убедиться, что одно сторона модуля нагрелась, а вторая остыла.
В настоящее время благодаря изобретению элементов Пельтье, термоэлектрический эффект используется для охлаждения процессоров компьютеров, при конструировании мобильных холодильников, нагревателей и др.
Производство холода – только одна из возможностей изучаемого нами устройства. Если обеспечить достаточно высокий перепад тепла и холода на пластине, то у нас получится настоящая маленькая электростанция на дому. Благодаря такой способности, устройство просто находка для любителей походов, ведь они могут воспользоваться заводскими (статья о нем) и самодельными (пример смотрите здесь) генераторами для освещения палатки, просмотра минителевизора или зарядки телефона без электричества.
В небольшом ролике автор, купивший модуль Пельтье TEC1-12706, дает отзыв о нем и рассказывает как он работает.
Канал «ТЕХНАРЬ» также предлагает выполнить обзор про элемент Пельтье с указанием характеристик, цены и другого.
Внутри посылки находится Элемент Пельтье. Давайте разберем, что же он из себя представляет. Если почитать на Википедии, там его называют термоэлектрическим преобразователем.
Поясним своими словами. После подключения напряжения (можно от 1 до 15 В), одна сторона модуля начинает охлаждаться, а вторая сторона нагреваться. Это происходит одновременно.
Элементы Пельтье используется в автомобильных холодильниках и во многих электронных компонентах. Доводилось читать, что они используются даже в фотоаппаратах. Хотя как? Может быть, они должны быть размером поменьше.
Данный элемент (ТЕС1-12706) имеет размеры 4 на 4 см.
Кстати, еще такие устройства можно использовать для охлаждения компьютерных процессоров. Одна сторона устанавливается наверх процессора, а сверху устанавливается кулер.
После того, как подключили питание к элементу, нужно со стороны, которая нагревается, отводить тепло. Если же допустить перегрев элемента (рабочая температура чуть больше 100 градусов Цельсия), он может сгореть.
Что нам потребуется для демонстрации работы элемента и проверки его работоспособности? Понадобится компьютерный блок питания. С него мы будем брать напряжение 12 В, и подавать на кулер.
Кулер – обычный бокс-кулер фирмы DEEPCOOL. Когда-то он приобретался для усилителей. Его немного доработали, а именно просверлили еще одно отверстие, одно уже было.
Сверху будет алюминиевая пластина. Установим Пельтье и сверху накроем алюминием тоже. Для того чтобы был лучше контакт, проводимость тепла, будем использовать термопасту КРТ-8.
На Элемент подадим напряжение в 5 В, которое тоже возьмем из старого компьютерного блока питания. Почему 5 В, а не 12 В. Просто нет уверенности, что тут будет всё нормально. То есть будет нормальный отвод тепла. Элемент может не выдержать 12 вольт, лучше не рисковать.
Начинаем собирать. Та сторона, на которой надпись, будет охлаждаться. Поэтому ее наверх, а та которая нагревается – отвод тепла будет снизу. Наносим термопасту и сверху прижимаем обычными шурупами. Кроме того, вырезаются из кожи прокладки для того, чтобы меньше тепла передавалось от верхней пластины к радиатору.
Продолжение тестовых испытаний на видео с 5 минуты
Элемент Пельтье: эффекты, следствия и использование
Элемент Пельтье – это электрическое устройство, под действием электрического тока образующее на рабочих площадках разницу температур. Принцип действия обратный эффекту Зеебека. Примечательно, что выводы термопары принято называть спаем, как и реальный спай металлов в чувствительном месте датчика. Не стоит впадать в заблуждение, концы обычно подключены к измерительной схеме и не соприкасаются.
Эффекты термоэлектричества
21 июля 1820 года считается поворотной точкой развития истории: Эрстед решился опубликовать свои наблюдения о влиянии провода с током на ориентацию магнитной стрелки в пространстве. Дальнейшие открытия следуют чередой, нас интересует изобретение первого гальванометра. Изготовитель, Швейггер, назвал прибор мультипликатором за способность умножать результат действия на магнитную стрелку нескольких витков провода, несущего ток. Благодаря этому годом позже (1821) физик эстонского происхождения Зеебек открыл термоэлектричество. Общеизвестно, что случившееся помогло пятью годами позже Георгу Ому получить всемирно известный закон.
Ом Георг
Литература говорит, что Зеебек в качестве детектора использовал соленоид с многочисленными витками проволоки и магнитную стрелку. История умалчивает, как к учёному попала спайка висмут-сурьма, но повествует, что учёный подключил тандем в качестве источника питания и видел колебания компаса постоянно, когда брал термопару в руки. Вероятно, оказался близок к открытию собственных сверхспособностей, но в результате к выводу, что виновато тепло рук. Больших результатов учёный добился, используя осветительную лампу в качестве источника тепла.
Зеебек неправильно истолковал результат опыта, назвав открытие магнитной поляризацией: смещение точки нагрева на другой конец изменяло направление отклонения стрелки. В результате выстроилась неправильная теория. Стали утверждать, что температурой возможно непосредственно получить магнитные свойства, а поле Земли обусловлено деятельностью вулканов. Георг Ом уже вскоре после описанного открытия применил термо-ЭДС для вывода известного закона, а в 1831 году подобный источник использовался в опытах по электролизу.
Величина термо-ЭДС невелика. Обычно десятки мВ. Если требуется найти конкретное значение, пользуются таблицами. Эталоном для температур диапазона климата Земли служит платина. Таблицы содержат значение термо-ЭДС для термопар из указанного металла и исследуемого: хромель, алюмель, меди, железо. Значения бывают положительными и отрицательными. К примеру, для сурьмы это +4,7 мВ, а для висмута – минус 6,5. Значения складываются и становится ясно, что при разнице температур на концах пары в 100 градусов образуется ЭДС в 12,2 мВ. Георг Ом подобные условия и пытался создать, погрузив первый конец в лёд, а второй – в кипящую воду.
Эффект термоэлектричества
Справочные таблицы иногда содержат множество значений. К примеру, для разных температур с шагом в 100 градусов. Тогда удаётся посчитать значения для каждой, но и с замещением нуля на любую из указанных температур. Берётся разность между большим и меньшим значением. У отдельных термопар при определённой температуре направление термо-ЭДС меняется на противоположное. К примеру, для меди и железа граничной точкой станет 540 градусов Цельсия.
Эффект Пельтье
Эффект Пельтье называют зеркальным отражением термоэлектричества. В этом случае ток переносит тепло с первого конца термопары на второй. Причём с изменением направления и нагреваемая сторона обращается на противоположную. Эффект открыт в 1834 году, получив неправильное толкование. Лишь 4 года спустя «соотечественник» Ленц сумел заморозить и испарить каплю воды при помощи термопары. В каждом случае ток показывал собственное направление.
Эффект объясняется просто в современной физике. Допустим, имеется два разнородных полупроводника с одинаковым типом проводимости. Электроны в каждом обретают разное значение энергии, причём уровни в обоих случаях расположены близко. Теперь представим, что электрический ток начал переносить заряды из одной среды в другую. Что произойдёт? Электроны с повышенной энергией, оказавшись в среде пониженных уровней, отдадут лишнее количество кристаллической решётке, произведя нагрев. Напротив, если энергии недостаточно, она передастся от кристаллической решётки, что вызовет охлаждение спая.
Эффект Пельтье
Если тип проводимости полупроводников в термопаре неодинаков, эффект объясняется иначе. Электрон, попадая в p-материал занимает на энергетическом уровне место дырки (положительного носителя заряда). В результате теряет кинетическую энергию движения и разницу между нынешним и прошлым состоянием. Высвобожденное количество идёт на образование свободных носителей по обе стороны p-n-перехода. Остаток сообщается кристаллической решётке, от которой идёт нагрев. Если энергия в начальный момент меньше, начнётся охлаждения спая. Рекомбинирующие носители восполняются источником питания.
Количество теплоты, выделенное или поглощённое, пропорционально прошедшему через проводник заряду. Коэффициент в формуле линейной зависимости носит имя Пельтье. Аналогичная величина введена и для термоэлектричества, носит имя Зеебека. Из формулы следует, что количество выделившейся теплоты, в отличие от эффекта Джоуля-Ленца, пропорционально первой степени электрического тока (определяющего перенесённый заряд).
Эффект Томсона
На основании данных о коэффициентах Зеебека и Пельтье лорд Кельвин (Томсон) предсказал в 1856 году новый эффект: нагретый в центре проводник при пропускании электрического тока охлаждается с одной стороны и становится горячее с другой. Теоретические данные подтверждены опытным путём, открыв дорогу для создания климатической техники и прочего.
Идея лорда Томсона: если вдоль проводника присутствует градиент температуры (см. Электрическое поле), при протекании тока начнётся перенос тепла. Это устройство работает по принципу теплового насоса. Переносимая мощность пропорциональна градиенту: чем круче график изменения температуры по длине проводника, тем больший тепловой эффект проявляется.
Коэффициент пропорциональности в формуле носит имя Томсона и связан с коэффициентами термоэлектричества и Пельтье. Выше авторы привели объяснения согласно кинетической (микроскопической) теории, оперирующей уровнями энергетических состояний носителей заряда. Лорд Кельвин придерживался термодинамической (макроскопической) концепции, где во внимание принимаются глобальные потоки и силы. Это различие применимо ко множеству отраслей физики. К примеру, закон Ома для участка цепи возможно рассматривать как вариант термодинамического взгляда на вещи.
Называют и общие черты. В термодинамической концепции массово применяются константы: речь о коэффициенте теплопроводности (закон Фурье) и изотермической проводимости (закон Ома).
Следствия
Ряд связанных с обсуждаемой темой полезных законов:
- В замкнутой цепи из однородного материала за счёт температуры электрический ток поддерживаться не может. Это утверждение носит имя немецкого физика Магнуса. Порой именуется законом однородной цепи.
- Закон промежуточных металлов гласит, что алгебраическая сумма термо-ЭДС замкнутого контура, состоящего из любого количества сегментов разнородных проводящих материалов равна нулю при условии, что температура участков одинаковая.
Эффект Томпсона
Использование термоэлектрических и электротермических эффектов
Долгое время прямой и обратный термоэлектрический эффект не находили применения, полезная величина оказывалась слишком мала. Постепенно физики создали сплавы свойства которых на два порядка перекрывают чистые металлы, использованные Пельтье и Ленцом. Теперь термоэлектричество находит применение. Вспомним термостат холодильника либо термоэлектрические холодильники без движущихся частей. Гораздо интереснее космическая отрасль, где явление применяется для охлаждения фоторезисторов: при понижении температуры лишь на 10 градусов чувствительность подобных датчиков вырастает на порядок.
Дополнительным плюсом описанных технических решений становятся компактность и малое потребление энергии: при весе 150 г установка охлаждает терморезистор на 50-60 градусов. В бытовой электронике эффектом Пельтье поддерживается нормальный режим процессоров в системном блоке персональных компьютеров. Да, стоит техническое решение недёшево, зато бесшумность гарантирована. К примеру, энтузиасты с 2010-х годов конструируют холодильники в домашних условиях. Высокого КПД не удаётся добиться из-за больших потерь через корпус. Но с появлением новых изолирующих строительных материалов положение дел улучшится.
Интересно, что при изменении направления электрического тока эффект начинает работать в противоположную сторону. Возможен нагрев. На базе описанных эффектов создают термостаты, отслеживающие температуру до тысячных долей градуса. Среди перспективных направлений отмечают бытовые кондиционеры и прочие системы охлаждения. Самым заметным недостатком считается цена. И не нужно забывать, что КПД кондиционера, как правило, больше 1, работает этот агрегат по принципу теплового насоса. Пусть эффективность резко падает с ростом температуры окружающей среды, термопары пока сильно отстают от традиционных методов охлаждения со своими 10%.
Высказываются иные мнения. Академик Иоффе, отдельные сентенции которого использованы в приведённом топике, предложил создавать системы для обогрева и охлаждения помещения по типу сплит-систем. В этом случае возникает осложнение, как с типичными кондиционерами, но КПД достигает 200%. Смысл: при обогреве, допустим, поглощающий тепло спай размещается снаружи, а выделяющий – в помещении. Качать из мороза жар нелегко, потому у методики присутствуют ограничения. Однако не запрещено на основе указанной методики создавать тепловые насосы.
К безусловным плюсам климатических систем, использующих элемент Пельтье, относится возможность работы в обратном направлении. Летом печка станет кондиционером. Следует лишь изменить направление протекания тока. Известны противоположные наработки, призванные превратить солнечное тепло в электрическую энергию. Но пока подобные конструкции изготавливают на основе кремния, и термопарам не находится места.
Материалы для создания термопар
Очевидно, обычные металлы для создания мощных систем не годятся. Требуются пары с мощностью от 100 мкВ на 1 градус. В последнем случае достигается высокий КПД. Материалами становятся сплавы висмута, сурьмы, теллурия, кремния, селена. К недостаткам компонентов относятся хрупкость и сравнительно малая температура работы. Низкий КПД добавляет ограничений, но с внедрением нанотехнологий появляется надежда, что привычные рамки окажутся преодолены. Учёные среди перспективных направлений называют разработку принципиально новой полупроводниковой базы с поистине уникальными свойствами, включая точное значение энергетических уровней материалов.
Элементы Пельтье
Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.
TEC Controller Обзор продукта
Содержание
Основы элемента Пельтье
Элемент Пельтье может переносить тепло с помощью эффекта Пельтье.Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами при протекании тока.
В зависимости от направления протекания постоянного тока возможно охлаждение и нагрев с помощью элементов Пельтье без изменения разъемов или механической настройки. Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно реализовать небольшие конструкции и нет движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, контролируется контроллером TEC.
Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье
Обычно идентификация производителя печатается на холодной стороне элемента Пельтье.Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье
.Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снизить охлаждающую способность элемента.
Как видно на правом рисунке, существуют разные типы элементов Пельтье, они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.
Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные
Диапазон температур: разница температур dT макс до 130 ° C (многоступенчатый), макс.температура до 200 ° C
Максимальная холодопроизводительность: до 290 Вт
Элемент Пельтье Модель
Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели. Модель
имеет следующие три эффекта.- Эффект Пельтье Q p : Передача тепла от одной стороны к другой. Описанный в этом уравнении Q p = I * α * T
- Обратный поток тепла Q Rth : Тепловой поток от горячей стороны к холодной.Описанный в этом уравнении Q Rth = dT / Rth
- Джоулевое нагревание / потери Q Rv представляют в сопротивлении R v : Описанное в этом уравнении Q Rv = I 2 * R v / 2.
Тепло, выделяемое R v делится поровну на горячую и холодную стороны. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не учитывается в этом уравнении.
Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q c зависит от трех эффектов: Q p , Q Rth и Q Rv .
В случае охлаждения уравнение для Q c . Имеет вид: Q c = Q p — Q Rth — Q Rv .
Параметры элемента Пельтье
Помимо механических свойств, элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляет производитель: Q max , dT max , U max , I max
- Q max : Максимальная мощность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 ° K
- dT max : максимальная разница температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
- I макс. : ток через элемент Пельтье при Q макс.
- U max : напряжение через элемент Пельтье при Q max
Параметры Q max и dT max являются теоретическими значениями и используются для описания поведения элементов Пельтье.Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрических устройствах. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.
В термоэлектрических устройствах всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q c и разностью температур dT.
Свойства и поведение элементов Пельтье
Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементом Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье.Подобные диаграммы когда-нибудь используются производителями, например Ferrotec. Все значения в диаграммах относительны.
Тепловой насос в сравнении с текущим
Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между мощностью теплового насоса по оси y и током по оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T hot — T cold ) в случае охлаждения.
Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос vs.Текущий
Только при относительно небольших перепадах температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуется более высокая разница температур.
Перекачиваемое тепло Q C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, так как тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.
Обычно сквозной ток для элемента Пельтье должен быть от 0 до 0,7 от I max .
Динамика системы
Динамика системы. Нормализованная диаграмма зависимости мощности теплоносителя от тока
Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры — и, следовательно, dT — или при увеличении тепловой нагрузки.
Если мы эксплуатируем элемент Пельтье с током около 25% от I max , можно скомпенсировать повышение dT на 10 Кельвина — точка A — B — чтобы гарантировать, что производительность теплового насоса остается постоянной, ток должен быть увеличенным.Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если перейти от A к C.
Если рабочая точка составляет около 60% от I max , нам нужен больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка D в E — когда производительность теплового насоса не должна измениться. Производительность теплового насоса все еще можно увеличить без потери разницы температур, если перейти от D к F.
Однако, если элемент Пельтье работает с близким к максимальному току, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока.Переход от более низкой к более высокой разнице температур приведет к снижению производительности теплового насоса.
Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)
Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне Q C , деленное на входную мощность P el элемента Пельтье: COP = Q C / P el . COP — это, по сути, эффективность элемента Пельтье при охлаждении.
На следующей диаграмме показана зависимость производительности (COP) от отношения тока I / I max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.
Эта диаграмма показывает зависимость производительности (COP) от текущей зависимости. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий максимальную производительность при соответствующей разнице температур dT.
С левой стороны мы видим, что КПД максимален при минимальном перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электроэнергии. Как мы видим, в зависимости от dT соответствующий максимум COP находится на разных уровнях тока — при более высоких dT он смещается вправо.Если мы проследим кривую вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить лишь небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что более высокие токи необходимы для увеличения разницы температур.
Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT> 0 K, заключается в том, что сначала необходимо компенсировать обратный поток тепла Q Rth за счет эффекта Пельтье Q p , прежде чем элемент Пельтье остынет.
Тепловыделение элемента Пельтье
На следующей диаграмме показана зависимость тепла Q h , рассеиваемого на теплой стороне элемента Пельтье, от тока при охлаждении.
Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока для различных температурных перепадов dT.
Значения нормированные и относительные. Как вы можете видеть, Q h , отклоненный элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q max . Количество тепла на горячей стороне Q h может быть настолько большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q p и тепло сопротивления потерь Q Rv должны рассеиваться.Q h = Q p + Q Применяется Rv .
Зависимость отклоненного тепла от dT
На следующей диаграмме показано соотношение между Q h и Q C для различных dT в случае охлаждения. Отношение Q h / Q c является фактором того, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.
Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, на количество перекачиваемого тепла по сравнению сток для разных dT.
Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается теплоотводом при сравнительно небольшом количестве тепла, поглощаемом холодной стороной элемента Пельтье.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q C = 1 Вт. Это дает 1,75 Вт тепла на горячей стороне Q h = 1,75 Вт, если dt = 20 К. При dT = 40 К это около 3,5 Вт на горячей стороне Q ч = 3,5 Вт
Напряжение vs.Текущий
Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между напряжением на оси y и током на оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T hot — T cold ) в корпус охлаждения.
Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных dT.
Как видите, кривая линейная. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения.Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси ординат связано с эффектом Зеебека.
Многоступенчатые элементы Пельтье
Многоступенчатый элемент Пельтье
Все приведенные выше диаграммы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 K). Но Q max ниже, т.е. меньше тепла может рассеиваться.Это недостаток многоступенчатых элементов Пельтье.
Производителей
Эффективность элемента Пельтье
Эффективность применения элемента Пельтье зависит от коэффициента полезного действия (COP), который зависит от рабочей точки, теплового дизайна и типа питания контроллера TEC. Все три пункта обсуждаются в этой статье. Контроллеры
TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока.
TEC Controller Обзор продукта
Коэффициент полезного действия (COP)
Эффективность самого элемента Пельтье определяется значением COP = Q C / P el . Подробнее об определении COP здесь.
Зависимость COP от текущего отношения элемента Пельтье для различных dT.
Оптимальная рабочая точка элемента Пельтье — это максимальное значение COP. Максимальный КПД сильно зависит от разницы температур (dT) между теплой и холодной стороной.Как можно видеть, максимум COP смещается в сторону более высоких токов, когда dT увеличивается. Ток не должен превышать 0,7 I max , потому что тогда COP становится слишком маленьким — элемент Пельтье очень неэффективен.
Тепловой расчет
Thermal Design имеет решающее значение, поскольку позволяет пользователю напрямую влиять на эффективность и производительность системы. Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:
- Уменьшение dT — оптимизация радиатора и вентилятора
- Минимизируйте потери мощности — изолируйте охлаждаемую область
- Оптимизация COP — Выберите элемент Пельтье соответствующей мощности
1.Разница температур (dT) между холодной и теплой стороной должна быть минимизирована. Небольшое значение dT приведет к смещению максимума COP, как это видно на диаграмме 5, вправо, что означает необходимость меньшего тока. Тепло, которое должно рассеиваться на теплой стороне, складывается следующим образом: Q h = Q C + P el .
Следующая схема представляет систему охлаждения и соответствующую диаграмму температуры справа. Объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C. Таким образом, радиатор рассеивает 10 ° C, поэтому новый dT составляет 30 К.
Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая диаграмма температур
2. Часто бывает полезно изолировать охлаждаемый объект и все другие охлаждаемые поверхности. Таким образом, температура окружающей среды оказывает меньшее влияние на элемент Пельтье, и в систему поступает меньше тепла окружающей среды.Это снижает общую рассеиваемую мощность, что приводит к меньшей входной мощности элемента Пельтье и, следовательно, лучшему COP.
3. Следует оптимизировать COP за счет использования достаточной мощности элемента Пельтье. Это необходимо, потому что максимальное значение COP соответствует низкому току и помехи могут быть поглощены. Если мощность элементов Пельтье слишком мала, возможно создание нагревателя.
В качестве примера: если dT составляет 30 K, вы можете увидеть на диаграмме зависимости COP от тока, что максимальное значение COP при I = 0.3 * I макс . На диаграмме Тепловой насос Vs Current мы получаем со значениями dT = 30 K и I = 0,3 * I max , Q c / Q max равным 20%. Для охлаждения мощностью 10 Вт элемент Пельтье должен иметь мощность 50 Вт.
Постоянный ток и ШИМ (тип источника питания TEC)
В следующей главе обсуждаются преимущества постоянного тока (DC) и недостатки ШИМ в качестве режимов питания для управления элементами Пельтье с контроллерами ТЕС. Термоэлектрические охладители работают за счет эффекта Пельтье и перекачивают тепло от одной стороны к другой.Для поддержания направления теплового потока требуется постоянный ток.
Во многих контроллерах ТЕС ШИМ используется для управления элементами Пельтье. В целом это означает упрощенное аппаратное и логическое управление выходом. Для высоких частот ток ШИМ можно рассматривать как постоянный ток того же значения амплитуды. Однако модули ТЕС, управляемые ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения ТЕС, управляемые постоянным током. Прямое управление ТЕС с ШИМ делает схему более подверженной помехам, может привести к высоким переходным напряжениям и, как правило, менее эффективно.
Другая проблема заключается в том, что ШИМ может вызывать электромагнитные помехи (EMI) в проводке к устройству ТЕС. Этот эффект может нарушить работу измерительных систем или камер, например при использовании для охлаждения ПЗС-сенсоров.
Рекомендации производителей
Производители элементов Пельтье предлагают использовать постоянный ток и ограничивающие пульсации тока для регулирования выходного тока. Они категорически не рекомендуют использовать прямое ШИМ-управление элементами Пельтье:
- Ferrotec: «Тем не менее, мы рекомендуем ограничивать пульсации источника питания максимум до 10 процентов с предпочтительным значением <5%.«
- RMT: «ТЕС [элементы Пельтье], управляемые ШИМ, работают менее эффективно, чем при постоянном токе. ШИМ-управление всегда менее эффективно, чем работа ТЕС при том же среднем постоянном токе и потребляемой мощности».
- Marlow: «Для оптимальной работы термоэлектрическим охладителям требуется ровный постоянный ток. Коэффициент пульсации менее 10% приведет к снижению ∆T менее чем на 1%. […] Marlow не рекомендует управление ВКЛ / ВЫКЛ».
Сравнение двух контроллеров ТЕС
Мы сравнили контроллер TEC Meerstetter Engineering с постоянным током (случай 1) с контроллером PWM TEC (случай 2) от другого производителя, чтобы подчеркнуть разницу между термоэлектрическими системами охлаждения с питанием от постоянного тока и системами, использующими ШИМ.Цель состоит в том, чтобы сравнить общую энергоэффективность.
Оба контроллера выполняют одну и ту же задачу, но с точки зрения эффективности разница весьма разительна.
Установка состоит из следующих компонентов:
- Блок питания контроллера ТЕС
- Контроллер ТЕС
- Охлаждаемый объект (нагрузка 1 Вт)
- Элемент Пельтье
- Радиатор
- Вентилятор для охлаждения радиатора
В качестве целевой температуры для нагрузки мощностью 1 Вт в качестве охлаждаемого объекта мы выбрали в обоих случаях 10 ° C при температуре окружающей среды 24.5 ° С.
Результаты представлены на следующей иллюстрации и обсуждаются ниже.
Сравнение двух контроллеров ТЕС
Замечательные отличия и наблюдения:
- Мощность, необходимая для охлаждения объекта до 10 ° C, была в случае 2 более чем в шесть раз больше (56 Вт против 9 Вт).
- Температура радиатора в корпусе 2 была на 5 ° C выше. Это может привести к повышению температуры термоэлектрической системы охлаждения, особенно когда она заключена в корпус.
- Повышение температуры радиатора на 5 K также приводит к более высокому dT элемента Пельтье:
dT = T HS — T O = T amb + ΔT HS — T O - Другими словами, общее количество тепла, рассеиваемого системой с помощью ШИМ-контроллера, более чем в 4 раза больше. Следовательно, это приводит к необходимости гораздо большего радиатора для корпуса 2.
- Более эффективная система позволяет также использовать более мелкие компоненты, такие как блок питания, радиатор и т. Д.
Линейные и SMPS контроллеры TEC
Существует два обычно используемых способа генерации постоянного тока для управления ТЕС. Один из способов — использовать линейный источник питания, а другой — SMPS.
Линейные контроллеры ТЕС обеспечивают постоянный ток, обеспечивая оптимальную работу ТЕС. Однако сами они очень неэффективны и генерируют большие тепловые потери.
SMPS Контроллеры TEC также управляют ТЕС постоянным током, но они намного более эффективны, что приводит к существенно меньшим тепловым потерям.
КонтроллерыSMPS TEC имеют высокий КПД (> 90%), электроника генерирует мало потерь.
| ГЛАВНАЯ О НАС ТОВАРОВ УСЛУГ СВЯЖИТЕСЬ С НАМИСПЕЦИАЛЬНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ |
Термоэлектрические модули охлаждения (элемент Пельтье)Термоэлектрические модули охлаждения (элемент Пельтье): технические характеристики
Дополнительные индексы:
Система проверки качества термоэлектрических модулей (элемента Пельтье) включает прием-сдачу и периодические испытания. Среди приема-сдачи:
Программный пакет измерительной системы, предназначенный для работы с IBM-совместимыми компьютерами под операционными системами сборки Microsoft Windows.
Информация о преимуществах термоэлектрических модулей по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами 8,5-127-1,4 дд | ||||||||||
Контроллеры температуры | Контроллеры температуры
Контроллеры температуры | Контроллеры температуры | Компоненты RSРегуляторы температуры
Контроллер температуры, как следует из названия, представляет собой устройство, используемое для контроля и мониторинга температуры.Контроллер принимает входные данные от датчика температуры, такого как термопара, и сравнивает измерение температуры с желаемой установленной температурой, которая затем выдает выходной сигнал (например, реле, симистор или твердотельное реле) на нагреватель или вентилятор.
Типы регуляторов температуры
ПИД-регулятор температуры — двухпозиционный регулятор процесса, который использует математическую формулу для вычисления разницы между желаемой уставкой температуры и текущая температура процесса, чтобы температура процесса оставалась как можно ближе к заданному значению.ПИД-регуляторы эффективны при устранении нарушений технологического процесса, которые могут повлиять на качество измеряемого продукта.
Двухпозиционный регулятор температуры — двухпозиционные регуляторы температуры. (также называемые сигнализаторами) — это простые устройства контроля температуры. Оптимальная температура задана заранее, и при ее превышении выход отключается. Когда температура падает ниже заданного оптимального значения, включается выход.
Пропорциональный регулятор температуры — может увеличивать или уменьшать мощность по мере необходимости в соотношении, которое соответствует разница между текущей температурой процесса и желаемым диапазоном температур, это пропорциональное управление обычно происходит только в пределах определенного диапазона температур по обе стороны от заданного значения и предназначено для исключения цикличности, связанной с двухпозиционным контроллером.
Контроллер модуля Пельтье — Контроллеры модуля Пельтье — это контроллеры температуры, предназначенные для реверсивного управления охлаждением и нагревом термоэлектрических сборок в зависимости от направления тока. Они предлагают решения для быстрого и компактного контроля температуры и идеально подходят для приложений, требующих точного и точного контроля температуры.
Наш веб-сайт использует файлы cookie и аналогичные технологии, чтобы предоставить вам лучший сервис при поиске или размещении заказа, в аналитических целях и для персонализации нашей рекламы для вас.Вы можете изменить настройки файлов cookie, прочитав нашу политику использования файлов cookie. В противном случае мы будем считать, что вы согласны с использованием файлов cookie.Хорошо, я понимаю
Продукция РФ
Электронные изделия
Электромеханические изделия
Механические изделия
Дилер
|
Язык английский
| Форма поискаПоиск Выставки Партнерские ссылкиHändler
Empfehlungen |
Простой метод оценки физических характеристик термоэлектрического охладителя из технической документации поставщика
Введение
Термоэлектрический охладитель (ТЕС) — это твердотельный холодильник, работающий на эффекте Пельтье.Отсутствие движущихся частей, компактный размер, возможность точного контроля температуры и надежность — все это вместе делает TEC уникальным холодильником. ТИК находят применение [1, 2] во многих областях, от простых холодильников для продуктов питания и напитков для послеобеденного пикника до чрезвычайно сложных систем контроля температуры в космических аппаратах. Все больше и больше ТЕС используются для решения серьезных проблем с охлаждением, особенно в электронной промышленности; например, охлаждение лазерных диодов [3].
Из-за высокого спроса и экономической ценности многие производители продают широкий ассортимент ТЕС [4].Каждый производитель указывает свои ТЕС, используя кривые производительности и несколько предельных значений: ΔT max , I max , V max и Q max [5]. Инженеры по управлению температурным режимом должны найти TEC с максимальной производительностью, оптимизировать рабочие параметры с помощью простых расчетов и смоделировать общую систему охлаждения (включая TEC) с помощью имеющегося в продаже программного обеспечения CFD. Для всего этого необходимо знать основные физические свойства (s, ρ и k) материалов ТЭО.К сожалению, большинство производителей не предоставляют такую информацию в своих каталогах продукции. Поэтому проектировщикам тепловых систем обычно трудно получить эти физические свойства. Хуанг и др. [6] разработали эксперимент, который может точно измерить физические свойства модуля TEC. Проблема в том, что у большинства проектировщиков теплового оборудования обычно нет ни доступа к необходимому оборудованию, ни времени для проведения требуемых измерений.
В этой статье представлен простой метод расчета физических характеристик модуля ТЕС (т.е.е., напряжение Зеебека S M , электрическое сопротивление устройства R M и теплопроводность устройства K M ) на основе информации (ΔT max , I max , V max и Q max ) легко доступны в таблице данных поставщика. Затем можно рассчитать фундаментальные физические свойства s, ρ и k, если известны N (количество пар) и G (отношение площади поперечного сечения / длины каждого термоэлектрического элемента). Кроме того, в этой статье представлен пример применения для оценки и оптимизации рабочих параметров ТЕС с помощью простых вычислений.
Моделирование
Базовая модель для TEC
Следующие теоретические уравнения (1-4) для TEC представлены во многих справочниках и статьях [7-10]:
Для упрощения определите S M , R M и K M по уравнению (5-7):
S M = 2 sN (5)
R M = 2ρN / G (6)
K M = 2 NkG (7)
Тогда уравнения (1, 2 и 4) можно выразить в виде уравнений (8-10):
Параметры s, ρ и k являются фундаментальными физическими свойствами материалов ТЭО, а S M , R M и K M являются физическими характеристиками ТЕС как устройства.Показатель качества Z напрямую связан со способностью ТЭО перекачивать тепло и является критерием оценки качества ТЭО [11]. Все эти параметры являются необходимыми константами в расчетах или моделировании с использованием приведенных выше уравнений. К сожалению, обычно ничего из этого не указано в каталоге производителя. Обычно производители указывают ΔT max , I max , V max и Q max при заданной температуре горячей стороны T h .
Выражения для ΔT max , V max , I max и Q max
Проверка уравнения (8) показывает, что DT изменяется как квадрат тока I, когда Q c ноль, как показано уравнением (11).
Дифференцирование уравнения (11) по отношению к I приводит к уравнению (12):
Установка уравнения (12) равным нулю и решение для I, чтобы максимизировать ΔT приводит к уравнению (13):
Уравнение (13) является предпосылкой для получения максимальной разницы температур ΔT max , а ток определяется как максимальный ток I max .Напряжение в это время определяется как максимальное напряжение V max . Теперь вставка значения I max из уравнения (13) в уравнение (11) приводит к уравнению (14) для ΔT max :
Замена ΔT и I на ΔT max и I max в уравнении (9), можно получить выражение для V max , как показано уравнением (15).
Обычно в технических характеристиках ТЕС указывается ΔT max , I max , V max при определенной температуре горячей стороны T h .Заменяя T c на (T h — ΔT max ) в уравнениях (13) и (14), получают уравнения (16) и уравнение (17).
Кроме того, Q max возникает также при определенной температуре горячей стороны, когда I = I max и ΔT = 0 ° C. Следовательно, уравнение (8) может быть преобразовано в уравнение (18):
Метод I для расчета S M , K M и R M
Хотя три TEC параметры физических характеристик S M , R M и K M неизвестны, как отмечалось ранее, в таблицах данных поставщика обычно указаны четыре максимальных параметра: ΔT max , V max , I max и Q max , и кроме того есть четыре уравнения (15-18).Любые три из четырех уравнений могут использоваться для решения и получения выражений для S M , R M и K M . Метод I в этой статье использует только три уравнения ΔT max , V max и I max , и оставляет только четвертое для Q max . Таким образом, уравнения (19-22) получаются из уравнений (10), (15-17) для определения Z, S M , K M и R M :
Пока известны S M , R M и K M , s, ρ и k можно рассчитать согласно уравнениям 5-7, если известны N и G.
Метод II для расчета S M , K M и R M
Как указано выше, любые три из четырех уравнений (15-18) могут использоваться для решения и получения выражения для S M , R M и K M . Метод II в этой статье может использоваться для расчета S M , R M и K M в соответствии с тремя уравнениями для ΔT max , I max и Q max , без использования V max. .Согласно методу II, в результате получаются уравнение (19) и уравнения (23-25).
В идеале между четырьмя уравнениями (15-18) должна быть внутренняя согласованность, а результаты расчетов двумя методами должны быть одинаковыми. Тем не менее, это не всегда так. Ошибки действительно существуют, что можно увидеть в следующем примере приложения.
Таблица 1. Калькулятор электронных таблиц для TEC
Применение и обсуждения
Используя приведенные выше формулы, можно создать калькулятор электронных таблиц для определения физических характеристик, основных физических свойств и рабочих параметров ТИК, как показано в таблице 1.После ввода технических характеристик в терминах T h , ΔT max , I max и V max , физические характеристики S M , R M , K M и Z рассчитываются согласно к уравнениям 19-22 в методе I. Затем, ввод рабочих условий I, T h , T c и T a , рабочих параметров Q c , V, Q p , COP и R Радиатор рассчитывается согласно уравнениям 1-3, 26 и 27.
Кроме того, если значения для N и G для рассматриваемого ТЕС предоставлены в качестве входных данных, фундаментальные физические свойства s, ρ и k также могут быть вычислены.
Пример применения
В качестве примера применения следует выбрать имеющийся в продаже ТЕС для охлаждения лазерного диода, который рассеивает 5,5 Вт и должен поддерживаться при 20 ° C при температуре окружающей среды 25 ° C. Также необходимо, чтобы радиатор был как можно меньше; Другими словами, тепловое сопротивление радиатора R heatsink должно быть близко к максимально допустимому тепловому сопротивлению радиатора R hs-max .
1) Выбор ТЕС — Как известно, Z является критерием способности ТЕС перекачивать тепло. Таким образом, значение Z различных ТИК от разных производителей рассчитывается на основе информации из каталогов производителей. Как показано в таблице 2, значение Z для второго TEC (1MC06-096-05) находится посередине. Учитывая другие факторы, такие как наименьший размер, выбран TEC 1MC06-096-05.
2) Определение рабочих параметров — Рабочие параметры TEC 1MC06-096-05 рассчитываются для различных DT с использованием калькулятора электронных таблиц (Таблица 1).Технические характеристики (T h , ΔT max , I max и V max ), показанные в таблице 2 для выбранного TEC (1MC06-096-05), вводятся вместе с условиями эксплуатации (I, T h , T c и T a ). Затем вводимый в калькулятор ток I регулируется до тех пор, пока расчетное значение Q c не станет равным указанной тепловой нагрузке (т. Е. 5,5 Вт). Результат вычислений для каждого Δ T записывается, как показано в таблице 3.Как также показано в таблице 3 для примера расчета, значение допустимого теплового сопротивления радиатора R heatsink достигает своего максимального значения около 2,57 ° C / Вт при ΔT = 45 ° C. Однако большее значение COP, равное 1,01, происходит при ΔT = 30 ° C, поэтому оно выбрано в качестве расчетной разницы температур.
Таблица 2. TEC от разных производителей
Обсуждение двух методов расчета S M , K M и R M
Два метода расчета S M , R M и K M обсуждались в этой статье.Между двумя методами расчета существуют ошибки, и самая большая из них составляет 5%, как показано в таблице 2. Одна из причин заключается в том, что наша модель, представляющая работу ТЕС, уравнения (8) и (9), является идеальной, а параметры модуля ТЕС (S M , R M и K M ) принимаются как постоянные. Собственно, S M , R M и K M более или менее зависят от температуры. Другая причина заключается в том, что характеристики производительности от производителей являются экспериментальными результатами.Обычно разные производители используют разные экспериментальные методы в разных условиях.
Таблица 3. Рабочие параметры TEC (1MC06-096-05)
Сравнение с программным обеспечением производителя
В таблице 3 результаты расчетных примеров сравниваются с результатами программного обеспечения производителя. Как можно видеть, некоторые расхождения действительно существуют, и чем больше T h , тем больше расхождение для Q p от 300K (это температура горячей стороны, при которой даны технические характеристики).Это связано с тем, что Z, S M , R M и K M не всегда являются константами, как указывалось ранее. Фактически, Z, S M , R M и K M в некоторой степени зависят от температуры. Несмотря на это несоответствие, допустима разница менее 10%.
Конечно, программное обеспечение производителя должно быть более точным. Однако не каждый производитель предоставляет программное обеспечение. Хотя кривые производительности иногда можно использовать вместо расчетов, чаще всего кривые производительности даются при определенной температуре T h , например, 25 ° C или 50 ° C, что обычно отличается от рассматриваемого приложения.Другая проблема заключается в том, что считывание кривых и выполнение требуемых итераций утомительно и проблематично, особенно когда необходимо учитывать много разных ΔT. Соответственно, метод расчета, представленный в этой статье, может быть весьма полезным из-за его простоты и удобства, особенно для первоначальных оценок в процессе проектирования охлаждения.
Сводка
В этой статье был представлен простой метод расчета физических характеристик ТЕС и оценки производительности ТЕС.Сравнение и обсуждение показывают, что в методике расчета существуют некоторые недостатки. Несмотря на это, метод расчета полезен из-за его простоты и удобства, особенно в качестве помощи при выборе ТЕС и для получения первоначальных оценок его характеристик в желаемом приложении.
Благодарность
Автор благодарит редактора Роберта Саймонса за его усилия по улучшению читабельности. Автор также хотел бы поблагодарить рецензентов за конструктивные комментарии к более ранней версии этой статьи.
Ссылки
- Саймонс Р. и Чу Р., «Применение термоэлектрического охлаждения в электронном оборудовании: обзор и анализ», 16-й симпозиум IEEE SEMI-THERM, стр. 1-9, 2000 г.
- Риффат, С., Ма, X., «Термоэлектрики: Обзор настоящего и потенциального применения», Прикладная теплотехника, Vol. 23, стр. 913-935, 2003.
- Ли, Х., Юн, Дж., Ким, К. Дж., «Численный анализ охлаждения корпуса лазерных диодов с помощью термоэлектрического охладителя», Heat Transfer — Asian Research, Vol.30, Issue No. 5, pp. 357-370, 2001.
- http://www.peltier-info.com/manufacturers.html
- http://www.melcor.com/
- Huang, B. , Чин, С. и Дуанг, К., «Метод проектирования термоэлектрического охладителя», Международный журнал охлаждения, Vol. 23, pp. 208-218, 2000.
- Чейн Р. и Хуанг Г., «Применение термоэлектрических охладителей в электронном охлаждении», Прикладная теплотехника, Vol. 24, стр. 207-2217, 2004 г.
- Роу, Д., «CRC Handbook of Thermoelectrics», CRC press, Inc., 1995.
- Гиршек, Дж. И Джонсон, Д., «Последние разработки в области теплоотводов с улучшенными термоэлектрическими характеристиками», ElectronicsCooling, Vol.