Модуль пельтье характеристики: Элемент Пельтье : описание, подключение, схема, характеристики

Содержание

Модуль Пельтье: 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.

  1. Простые охлаждающие модули Пельтье предназначены для непрерывной работы. При пониженном энергопотреблении также уменьшается тепловыделение, что может вызвать переохлаждение кристалла и последующее зависание процессора.
  2. 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.

  1. На верхний радиатор наносится слой теплопроводной пасты типа КПТ-8 и приклеивается Пельтье модуль с одной стороны керамической поверхности.
  2. Аналогично к нему крепится с нижней стороны другой радиатор, предназначенный для помещения в камеру холодильника.
  3. Все устройство плотно сжимается и просушивается в течение 4-5 часов.
  4. 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

Как оптимизировать работу холодильной машины на элементах Пельтье

На рисунках представлены графики величин, влияющих на КПД элементов Пельтье. Первое, что бросается в глаза – коэффициент термо-ЭДС стремится к нулю по мере роста концентрации носителей заряда. Это напоминает, что металлы не считаются лучшим материалом для создания термопар. Теплопроводность, напротив, возрастает. В термодинамике считается, что она слагается из двух компонентов:

  1. Теплопроводность кристаллической решётки.
  2. Теплопроводность электронная. Указанная составляющая по очевидным причинам зависит от концентрации свободных носителей заряда и обусловливает рост кривой на представленном графике. Теплопроводность кристаллической решётки остаётся практически постоянной.

Исследователей интересует произведение квадрата коэффициента термо-ЭДС на электропроводность. Упомянутая величина стоит в числителе выражения для холодильного коэффициента. Согласно данным, экстремум наблюдается при концентрации свободных носителей в районе 10 в 19 степени единиц на кубический сантиметр. Это на три порядка меньше, чем отмечается в чистых металлах, откуда прямо следует заключение, что идеальным материалом для элементов Пельтье станут полупроводники.

Доля второй компоненты уже сравнительно невелика в меньшую сторону по оси абсцисс, допускается брать и материалы из этого интервала. Электропроводность диэлектриков слишком мала, что объясняет невозможность их применения в данном контексте. Все это позволяет установить причину, почему выводы Альтенкирха не воспринимаются всерьёз.

Немного теории

Чем же на самом деле являются модули Пельтье? В базовом определении это термоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на эффекте Пельтье, открытом в далеком 1834 году. Суть данного процесса заключается в возникновении разности температур в месте контакта материалов при протекании сквозь них электрического тока.

Мы не станем вдаваться в подробности истории открытия и научного обоснования специфики работы ТЭМ, поскольку этой теме можно посвятить целую диссертацию. Однако общие понятия упомянем.

Базовая схема устройства ТЭМ

Элементы Пельтье состоят из двух токопроводящих материалов (полупроводников) с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. Физика протекания тока через подобные вещества такова, что для перехода электронов им требуется определенная подпитка, получаемая в момент прохождения тока через спайку. В таком случае возможно перемещение частиц в высокоэнергетическую зону проводимости от одного материала к другому. Место соприкосновения полупроводников в момент поглощения энергии охлаждается. Изменение направления тока или перемещение электронов из более энергетической зоны в менее насыщенную приводит к нагреву места контакта. Помимо этого, в модулях Пельтье наблюдается тепловой эффект, характерный для любых веществ, сквозь которые пропускают электрический ток. Вообще процессы, присущие ТЭМ, проявляются и в месте контакта обычных металлов, однако определить их без сложных приборов почти нереально. Поэтому основой для модулей служат полупроводники.

Структура термоэлектрического элемента (модуля Пельтье)

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар полупроводниковых параллелепипедов разных типов (как в диодах или транзисторах, n- и p-типа). Современная индустрия для этих целей наиболее часто выбирает германид кремния и теллурид висмута. Полупроводники попарно соединяются металлическими перемычками из легкоплавких веществ. Последние выполняют роль термоконтактов и напрямую соприкасаются с керамической пластинкой или подставкой.

Пары полупроводников соединены последовательно, разные виды проводимости контактируют друг с другом. С одной стороны модуля имеются лишь n->p-переходы, с другой – p->n. Течение тока вызывает охлаждение и нагревание противоположных групп контактов. Поэтому можно говорить о переносе током тепловой энергии с одной стороны модуля Пельтье на другую и, как следствие, возникновении разности температур на пластинке. Правильное применение модулей позволяет извлечь некоторые выгоды для промышленных, в том числе компьютерных СО. К слову, элементы могут быть использованы и в качестве электрогенераторов – основываясь на тех же принципах работы, физика протекающих внутри процессов объясняется эффектом Зеебека (условно говоря, тот же эффект Пельтье с «противоположным знаком»).

Холодильник на элементах пельтье своими руками

Чтобы собрать холодильный агрегат вам понадобятся достаточное количество  электрических проводников и специальные инструменты (рисунок 3).

Холодильник на пельтье своими руками требует особого подхода к сборке и используемым материалам:

  1. Основой для платы должна служить прочная керамика;
  2. Для максимального температурного перепада надо подготовить не менее 20 связей;
  3. Правильные расчеты — залог увеличения коэффициента полезного действия на 70%;
  4. Наибольшую мощность используемому оборудованию даст фреон;
  5. Самодельный модуль устанавливается возле его испарителя, рядом с мотором;
  6. Монтаж производится стандартным набором инструментом с применением прокладок;
  7. Они необходимы для изолирования рабочей модели от пускового реле;
  8. Изоляция понадобится и для самой проводки, перед ее подключением к компрессору;
  9. Чтобы избежать короткого замыкания, сила предельного напряжения звонится тестером.

Рисунок 3. С помощью элемента пельтье можно легко собрать походный холодильник

Подобную схему можно применить для автомобильного охладителя. Автохолодильник пельтье своими руками собирается на керамической плате толщиной не менее, чем 1 миллиметр. В нем используются медные немодульные связи с пропускной способностью в 4А и применяются проводники с маркировкой «ПР20», подходящие для контактов разного типа. Для соединения устройства с конденсатором используют обычный паяльник.

Устройство и принцип работы элемента Пельтье

Для того, чтобы получить максимальный эффект понижения температуры, применяется соединение термоэлементов в виде каскадов. Благодаря подобному устройству, на выходе стало возможным получить максимально низкую температуру и значительно увеличить саму эффективность охлаждения.

Для того, чтобы повысить холодопроводность не прибегая к значительному увеличению I, все элементы Пельтье соединяются последовательно в устройство, получившее название батареи.

Таким образом, нынешний модуль состоит из двух пластин, выполненных из керамики и играющих роль изоляторов, между которыми расположены термопары, соединенные последовательным образом.

При этом, расположение элементов в подобной батарее осуществляется следующим образом:

  • Нижняя, горячая сторона.
  • Верхняя, холодная сторона.
  • Полупроводники, функционирующие на основе n-перехода.
  • Полупроводники, функционирующие на основе p-перехода.
  • Проводники из меди.
  • Клеммы (контакты), служащие для присоединения к ИП (источнику питания).

Здесь p-n переходом (positive-negative) принято считать электронно-дырочный переход в месте соединения полупроводников n (носители зарядов – электроны) и p типа (дырки с положительным зарядом, возникающие в процессе отрыва электрона от атома).

При p-n возникает переход от одного вида проводимости к другому.

В зависимости от расположения, каждая из сторон (горячая или холодная) имеет контакт только с переходом p-n либо n-p. При этом осуществляются следующие функции:

  • p-n – нагрев.
  • n-p – охлаждение.

Благодаря переносу Q с одной стороны батареи на другую, между ними возникает дельта температур (DT). Как уже было сказано выше, если изменить полярность, то горячая и холодная поверхности просто поменяются местами.

На данном рисунке холодная сторона батареи обозначена как B (синим цветом), горячая – как А (красным цветом соответственно).

Технические характеристики элементов Пельтье

Всем термоэлектрическим модулям с элементом Пельтье присущи следующие характеристики:

  • Qmax (холодопроизводительность) – представляет собой максимально допустимый I и разницу T двух сторон батареи. Единица измерения – Ватты. Принято считать, что количество тепловой Q, поступающей на холодную стороны, передается на горячую мгновенно, с нулевыми потерями.
  • DTmax – максимум перепада температур между пластинами, измеряется в градусах. При этом, данный параметр учитывается при идеальных условиях работы: горячая сторона – 27C, холодная – отдача тепла равна нулю.
  • Imax – максимальный I, необходимый для обеспечения DTmax, измеряется в Амперах.
  • Umax – величина напряжения, которая будет иметь место при Imax и DTmax (измеряется в Вольтах).
  • Resistance – внутреннее R модуля по постоянному току DC, измеряется в Омах.
  • COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, представляющий собой отношение Q охлаждения к Q, которое потребляет весь элемент и представляет собой не что иное, как КПД, при этом его величина колеблется от 0,3 до 0,5.

Каким образом маркируются элементы Пельтье

При маркировке подобных термоэлементов всегда используют стандартные обозначения, а именно:

  • Две первые буквы означают непосредственно тип элемента, а именно – ТЕ – термоэлемент.
  • Третья буква относится к размеру модуля и может быть выполнена в двух вариантах:
    • С – classic, стандартный размер термоэлемента.
    • S – small, маленький размер.
  • Далее следует числовое значение, отражающее количество каскадов в ТЕ. Как правило, большинство из них относятся к однокаскадным.
  • После тире следует число, означающее количество термопар внутри ТЕ.
  • Последняя цифра – номинальное значение I (Амперы).

Иногда в маркировку после всех цифр добавляется значение, относящееся к размерам модуля.

Пример маркировки: ТЕС1-12706-40 (40х40 мм).

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. 2$) не зависит от направления тока. Теплота, которая выделяется (или поглощается) в результате эффекта Пельтье пропорциональна первой степени силы тока ($Q_P\sim I$) и изменяет знак при смене направления тока. Кроме того, тепло Джоуля – Ленца зависит от сопротивления проводника, теплота Пельтье от него не зависит.

Обычно, теплота Пельтье существенно меньше, чем тепло Джоуля — Ленца. Для того, чтобы выявить эффект именно от явления Пельтье следует как можно сильнее уменьшить тепло Джоуля – Ленца, применяя толстые проводники с минимальным сопротивлением.

Пример 1

Задание: Покажите, что если считать электронный газ в проводнике невырожденным, то коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала.

Решение:

Количество электронов (N), которое проходит через единичную площадку, перпендикулярную к направлению тока, за $1 с$ равно:

\

где $j$ — плотность тока, $q_e\ $– заряд электрона.

Энергия электрона равна сумме его кинетической ($E_k$) и потенциальной энергий ($E_p=-q_e\varphi $). Если через $\left\langle E_k\right\rangle $ обозначить среднюю энергию для N электронов, то поток энергии ($P$) равен:

\

где $\left\langle E_k\right\rangle \ne \frac{3}{2}$ kT– не равно средней кинетической энергии равновесного электронного газа, что объяснимо тем, что в случае вырожденного газа не все электроны могут ускоряться электрическим полем.

Рассмотрим проводники 1 и 2 при одинаковой температуре. К каждой единице поверхности контакта в проводнике 1 подводится в единицу времени энергия $P_1$, а отводится в проводнике 2 энергия равная $P_2$. Значения потенциалов с обеих сторон контактной плоскости равны ${\varphi }_1$ и ${\varphi }_2$. Причем ${\varphi }_1$ $\ne $ ${\varphi }_2$. Кроме того в общем случае, имеем, что:

\

Для поддержания температуры контакта без изменений с каждой единицы поверхности в единицу времени нужно отводить (или подводить) энергию, равную $P_1-P_2.\ $Из выражения (1.3) следует, что:

\

Это означает, что выделяется (или поглощается) тепло Пельтье ($Q_p$). В том случае, если $S$ — площадь контактирующих поверхностей, то тепло Пельтье равно:

\It\left(1.5\right),\]

где $I=jS$ — сила тока. Мы знаем, что теплоту Пельтье выражают как:

\

Или для нашего случая из выражения (1.7) можно записать:

\

Сравним выражение (1.7) и формулу (1.5), получим для коэффициента Пельтье выражение:

\\left(1.8\right).\]

Так как нас интересует тепло в контакте, и мы не рассматриваем тепло Джоуля — Ленца в объеме, то в формуле (1.5) следует под $P_1\ и\ P_2$ понимать их значения у самой плоскости контактов. Значит выражение ${\varphi }_1-\ {\varphi }_2=U_{i12}$ – контактный скачок потенциала.

Если электронный газ в проводниках является невырожденным, то ускоряются полем все электроны. Распределение импульсов описывается законом Максвелла, и оно зависит только от температуры, тогда $\left\langle E_{k2}\right\rangle =\left\langle E_{k1}\right\rangle $, следовательно:

\

В таком случае, коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала, при этом тепло Пельтье равно работе, которую совершает ток из-за перепада напряжений.

Что и требовалось показать.

Пример 2

Задание: Чему равен коэффициент Пельтье при температуре T=0 K (случай сильно вырожденного электронного газа)?

Решение:

В состоянии сильного вырождения (T=0 K) все квантовые состояния в зоне проводимости с энергией, которая меньше уровня Ферми полностью заняты электронами. При этом ускоряться полем могут только электроны, которые имею энергии равную энергии Ферми (в первом приближении энергию Ферми примем равной химическому потенциалу $\mu $). Поэтому в формуле для коэффициента Пельтье, которую мы получили в предыдущем примере:

\\left(2.1\right)\]

под $\left\langle E_{k2}\right\rangle \ и\ \left\langle E_{k1}\right\rangle $ надо понимать максимальные кинетические энергии электронов и принять, что:

\

С другой стороны мы знаем, что:

\

Подставим выражения (2.3) и (2.2)

в формулу (2.1), получим:

\=0.\]

Ответ: При $T$=0 $K$, $П_{12}=0\ В.$

Устройство термоэлектрического модуля (элемента Пельтье)

В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока через цепь из различных проводников, место соединения проводников охлаждается или нагревается в зависимости от направления тока. Количество поглощаемой теплоты пропорционально току, проходящему через проводники.

В результате работ российского академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, были синтезированы полупроводниковые сплавы, которые позволили применить этот эффект на практике и приступить к серийному выпуску термоэлектрических охлаждающих приборов для широкого применения в различных областях человеческой деятельности.

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном элементе Пельтье термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах – от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности – от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через элемент Пельтье постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны элемента Пельтье меняются местами.

Современные однокаскадные термоэлектрические охладители (Элементы Пельтье) позволяют получить разность температур до 74–76 К. Для получения более низких температур применяются многокаскадные модули, представляющие собой несколько однокаскадных модулей с последовательным тепловым соединением между собой. Например, серийно производимые фирмой Криотерм четырехкаскадные термоэлектрические элементы Пельтье позволяют развить разность температур до 140 К.

Генераторный режим элемента Пельтье

Открытие Жака-Шарля Пельтье буквально перевернуло мир, так как устройство может использоваться в качестве универсального генератора тепла и холода. Кроме этих функций, был отмечен еще один немаловажный эффект – генераторный режим. Если теплую сторону устройства нагревать, а холодную охлаждать, то на выводах возникает разница потенциалов, и при замыкании цепи начинает течь ток.

Генератор на основе элемента Пельтье можно сделать своими руками и для этого не потребуется особых навыков. Но стоит понимать, что используемый китайскими разработчиками материал не обладает идеальными характеристиками, позволяющими получать максимум энергии. Доступных термоэлектрических модулей в продаже хватит для:

  • зарядки мобильных устройств;
  • питания светодиодного освещения;
  • изготовления автономного радиоприемника и прочих целей.

По этой теме можно найти массу видео с подробным описанием всех этапов. Поэтому если вы хотите сделать термоэлектрический модуль для получения энергии, то это вполне реально.

Первым делом необходимо заказать необходимое количество элементов Пельтье с учетом их характеристик. Устройство с мощностью 10 Вт на том же e — Bay стоит 15$. И этого вполне достаточно будет для зарядки смартфонов. Далее, необходимо обеспечить эффективное теплоотведение. Для этих целей можно сконструировать систему жидкостного охлаждения с естественной циркуляцией. А горячую сторону нагревать любым источником тепла, в том числе открытым огнем. В результате любой радиолюбитель может сделать сам великолепный термоэлектрический генератор, который можно взять с собой в поход, на рыбалку или дачу.

Один стандартный элемент-ячейка вырабатывает 5 В и 1 Вт мощности, чего вполне достаточно для небольшого освещения. Например, для изготовления фонарика с подогревом от тепла рук. В продаже имеются и готовые элементы с выходным напряжением до 12 В.

Переносная термоэлектрическая печка с генераторным режимом

Сегодня можно найти массу способов, как сделать своими руками достаточно эффективный термоэлектрический генератор на основе элемента Пельтье. Как один из них – портативная печка с топкой из старого компьютерного блока питания. К одной из сторон корпуса прикрепляется сам термоэлектрический элемент Пельтье через термопасту с радиатором внушительных размеров. Такая установка позволит получить тепло в любом удобном месте, приготовить пищу и зарядить телефон.

Биография

Ратуша в Ле-Мане

De occulta parte numerorum, quam algebram vocant, 1560

Родился в семье адвоката. Закончил Наваррский коллеж Парижского университета, где его брат состоял профессором философии и математики. Сам Жак Пелетье изучал медицину и право, но по окончании университета отказался от карьеры юриста и стал увлечённо осваивать древние языки и математику. Одновременно он стал завсегдатаем литературного салона Маргариты Наваррской.

В 1541 году Пелетье представил свой перевод «Ars poëtica» Горация, далее опубликовал, ряд математических и других научных трудов. В 1547 году вышли в свет речь по случаю кончины английского короля Генриху VIII и первый поэтический сборник стихов и переводов Пелетье Œuvres poétiques. Среди переведенных им авторов — Гомер, Вергилий, Марциал и Петрарка; Пелетье включил в сборник также ранее не публиковавшиеся поэмы своих современников — Жоашена Дю Белле и Пьера де Ронсара.

В трактате 1550 года Пелетье выступил за реформу французской орфографии с целью приблизить написание слов к их произношению. Чтобы способствовать этому процессу, Пелетье предложил несколько новых обозначений и активно использовал их в своих дальнейших книгах, однако все усилия по продвижению реформы орфографии остались безуспешными. В 1555 году, кроме новых поэм, выпустил руководство по составлению стихов (Art poétique français) и призыв к мирному завершению войны с императором Священной Римской империей Карлом V.

Последние годы провёл в путешествиях и общении с литераторами (особенно сблизился с Монтенем). В этот период Пелетье опубликовал множество трактатов и учебников по различным областям математики. Завершающий сборник Пелетье, Louanges, появился в 1581 году, в следующем году поэт скончался в Париже.

Где применяется

Миниатюрность настоящих элементов и относительно низкое их энергопотребление, — вкупе с отсутствием движущихся частей или различных жидкостей, применяемых в целях переноса тепла — предоставляет широкий спектр ниш использования. Сюда входят автомобильные кондиционеры, системы охлаждения микросхем и элементов электроники, мини-холодильники, подставки поддерживающие определенную температуру размещенных сверху емкостей. Кроме названых используется оборудование на элементах Пельтье в специфичных сферах, на подобии ПЦР-амплификаторов, нагревающихся систем вспышки фотоаппаратов, телескопах (для снижения теплового шума) и приемниках излучения инфракрасных устройств.

Реже можно заметить настоящий элемент в роли части конструкции генераторов. Хотя на рынках периодически всплывают аппараты аналогичного класса, к примеру, в виде фонариков, работающих от тепла человеческого тела или слабых машин, производящих электрический ток в целях подзарядки аккумуляторов смартфонов или ноутбуков.

Напряжение, получаемое на выходе элементов Пельтье:

Немного истории

Жан-Шарль Пельтье был часовщиком. Жил он в девятнадцатом веке, когда электротехника и физика были на подъеме. Все, кто хотя бы немного понимал, как работают физические законы, старались в домашних условиях делать опыты. Пельтье не стал исключением. В 1834 году он решил провести один опыт, поместив каплю воды между двумя электродами: один был изготовлен из сурьмы, второй из висмута. После чего через электроды пропустил электрический ток.

Каково его было изумления, когда вода превратилась в лед. Ведь то, что под действием электрического тока любые материалы нагревались, было известно. Но чтобы произошел обратный эффект, это была новость. Французский часовщик так и не понял, что изобрел что-то новое, которое оказалось на границе двух областей науки – электричества и термодинамики. В то время для него произошло просто волшебство.

Правда, проблемы охлаждения в те времена мало кого интересовали, поэтому эффект Пельтье так и остался невостребованным. И только через два века, когда в промышленности и быту стали использовать электронные устройства, для которых требовались миниатюрные приборы охлаждения, о Пельтье и его эффекте вспомнили.

Конструкция и работа термоэлемента Пельтье

вопрос:
02028 приобрел ТЕС1-12706 как убедится в исправности, при включении на 12в в помещении греются обе стороны, а где же холод об,ясните

Как работает!

Экспресс-метод диагностики модулей Пельтье

Омметром (тестером) не касаясь проводяших частей (в т.ч. тела) замерить электрическое сопротивление между проводами термо модуля. Чаще всего, встречается в термомодуле встречается электрический обрыв, смотри конструкцию и материалы, из которых делается термомодуль Пельтье. На пределе измерения 2 килоома (2k) тестер DT9208A покажет не разрыв («1»), а «ахинею» 0,2…1,4 килоома. Бегущие показания свидетельствуют об изменении разницы температур между горячей и холодной стороной термоэлемента (полупроводниковой «термопары»).

Работа термоэлемента ТЕС1-12706

к
Генерация электричества: практические характеристики термоэлектрических модулей Пельтье и термопар.

02028 Приобрел ТЕС1-12706, как убедиться в исправности; при включении на 12в в помещении греются обе стороны, а где же холод? Объясните!

Работоспособность термоэлектрических модулей Пельтье

Термоэлектрический модуль Пельтье — это по-сути много полупроводниковых термопар, включенных последовательно, и термоэлектрический модуль Пельтье явлеется микросборкой полупроводниковых термопар (кусочков полупроводника с P и N проводимостью) на плате (как провило, керамической) с металлическими облуженными дорожками.

Термоэлемент (китайский) марки ТЕС1-12706 — по-заграничному — термомодуль Пелтье, или просто модуль Пелтье, или даже Пелтье, работает как обычное полупроводниковое устройство, с обратимостью функций:

  • при пропускании электрического тока работает как тепловой насос — одна из пластин подложки (стороны, обкладки) — теплее, другая холоднее окружающей среды;
  • при помещении одной стороны в тепло, а второй в холод термоэлемент работает как термэлектрический генератор постоянного электрического тока.

Пельтье ТЕС1-12706 всем хорош, кроме исполнения и надёжности и эксплуатационных характеристик термоэлемента:

  • высокой теплопроводностью между обкладками;
  • низким тепловым контактом сторон с источником тепла/холода;
  • низкой механической, температурной и электрической прочностью термомодуля.

Из этого весьма вероятно предполагаю, что в термолементе ТЕС1-12706 нарушена физическая целостность, хотя как то странно.
Но рассмотрим подробно прочность модуля.

В Википедии (в русскоязычном варианте статья — убогая, поэтому читайте на Википедию английском языке):
Thermoelectric effect — Термоэлектрический эффект — Принцип работы термоэлектического модуля.

Хрупкие полупроводниковые «кристаллы» напаяны на хрупкую керамическую подложку с коммутирующим облученным припоем рисунком. Подложка 4х4 см (!) имеет толщину ок.1 мм, полупроводниковые кристаллы имеют размер ок. 1 мм (высота — 1 мм), плошадь контакта каждого кристалла с одной стороной — 1 мм квадратный. Всего в термоэлементе Пельтье ТЕС1-12706 128 полупроводниковых параллелипедов. Толщина металлических дорожек вместе с припоем облудки — 0, шишь десятых.

Щель между сторонами-пластинами, в которой полупроводниковые тела на металлических дорожках с припоем, заклеена (заполнена?) по краям силиконом. Силиконом же заполнено и вокруг подводящих двух проводов, припаянных к металлической дорожке пластины. Из материала «Генерация электричества: практические характеристики термоэлектрических модулей Пельтье и термопар» (линк выше) следует, что тепловой поток не столько генерирует электрический ток (соответственно, в режиме холодильника — не столько отбирает тепловую энергию), сколько проходит через полупроводиковые кристаллы, с низким КПД (коэффициентом полезного действия).

Поэтому — по конструкции термомодуля ТЕС1-12706 — это не столько генератор термо-электричества, сколько тепловой контакт (если рассмотривать электричество как побочный продукт) между горячим и холодным — смотри например теплообменники самодома — samodom.netnotebook.net и envirociety.org(простите за английский!).

Кто имел дело или разбирал микросхемы или транзисторы, диоды в металлических корпусах, тот ужаснется непрочности керамической конструкции ТЕС1-12706 площадью 1600 квадратных миллиметров при толщине 4 мм. Т.е. большая плошадь и маленькая толщина, и всё это — хрупкое керамическое!

Термопаста 40 мм Х 40 мм Х 2 стороны дает очень плохое прилегание или толстый слой с большим термическим сопротивлением, радиаторы типа

Если обеспечить температурное сопротивление холодная/горячая обкладка — радиатор (водный, жидкостный) много меньше, разность температур много больше — то есть обеспечить ВОЗМОЖНОСТЬ телового потока много больше, чем через сам термоэлемент (соответственно — тепловое сопротивление термоэлемента), то появляются условия для выработки электрической энергии. Что и делается в упомянутом самодоме — без всяких вращающихся турбин с воем и шумом, и механическими поломками.

Кто был в машзалах электростанций или наоборот — заводов или насосных станций, тот знает шум и вибрации генераторов / электродвигателей. Жизнь с этими звуками и трясками окрестностей несовместима, а значит и самодом в значительной степени становится безсмыленной затеей.

Какая сторона термомодуля нагревается, какая сторона термомодуля ТЕС1-12706 охлаждается? В режиме холодильника / нагревателя

При протекании тока под действием внешнего источника напряжения одна сторона отдает тепло «выше термической нормы», а вторая принимает это тепло. Ни точками, ни маркировкой, ни надписями горячая и холодная сторона термомодуля не обозначаются (как правило), а стороны термомодуля обозначаются цветом изоляции проводов-выводов — красный и черный провода.

  • Красный провод вывода термоэлектрического модуля Пельтье — это плюс;
  • Черный провод вывода термоэлектрического модуля Пельтье — это минус.
.

Расположите справа красный провод, слева черный; сверху получится холодная сторона элемента, снизу — горячая сторона.

Определение горячих и холодных сторон термомодуля на практике не так уж и важны, просто такая традиция.

Где плюс, где минус на термоэлементе в режиме генерации тока


(электричество)

На проводах термогенератора ТЕС1-12706: (и аналогичных моделей)
Расположите справа красный провод — плюс, слева черный — минус; наверу получится холодная сторона элемента, внизу — горячая сторона.

Электротехнические детали получения электричества из тепла и холода из электричества

Полная развязка — это когда электрическое сопротивление подложки-провод (выводной, любой) равно бесконечности; то есть, можно подключать термогенераторы «как заблагорассудится», назначив и подключив заземление (зануление) — синий провод — ноль, корпус; фаза — черный или коричневый, земля — желтый в зелёную полосочку. Такую расцветку проводов в кабеле или одиночных применяют, в частности, в европейском строительстве.

Керамические пластины термомодулей (и холодную, и горячую) делают с высокой точностью, низкой шершавостью поверхностей для плотного прилегания к радиаторам через термопасту (для хорошего теплового контакта с твердым телом), однако качественный тепловой контакт не получается, чему способствует отсутствие креплений (например, отверстий) на термомодуле.

Поэтому, тепловой контакт НЕПОСРЕДСТВЕННО жидкости с керамической (а значит — изолирующей!) пластиной обеспечивает несравнимо лучшие условия теплопередачи. Такую тепловую схему термоэлементов применяли в ядерных (радиоизотопных) космических аппаратах — для получения электроэнергии.

Но! Как учит партия, тела при нагревании терасширяются, а при охлаждении сужаются, то есть внутри термосборок возникают большие механические напряжения, которые отрывают ненадежно припаянные полупроводниковые элементы, рвут сами полупроводниковые «кристаллы», образуют микротрещины в керамических «сторонах» — одним словом, приводят к механическим разрушениям термоэлемента.

Сайт компании изготовителя термомодулей Пельтье TEC1-12706 (одного из?)

EVERREDtronics Ltd., производитель термомодулей и светодиодов; КНР.
Технические данные на продукцию.
everredtronics.com.

 
последние изменения статьи 02фев2015, 21мар2017

Выбор модуля — термоэлектрический

9.0 Выбор термоэлектрического модуля

9.1 Выбор подходящего охладителя TE для конкретного применения требует оценки всей системы, в которой будет использоваться охладитель. Для большинства приложений должна быть возможность использовать одну из стандартных конфигураций модуля, в то время как в некоторых случаях может потребоваться специальная конструкция для удовлетворения строгих электрических, механических или других требований. Хотя мы поощряем использование стандартных устройств, когда это возможно, Ferrotec America специализируется на разработке и производстве индивидуальных модулей TE, и мы будем рады предложить вам уникальные устройства, которые точно будут соответствовать вашим требованиям.

Общая система охлаждения является динамической по своей природе, и производительность системы зависит от нескольких взаимосвязанных параметров. В результате обычно необходимо выполнить серию итерационных вычислений для «обнуления» правильных рабочих параметров. Если есть какие-либо сомнения относительно того, какое устройство TE будет наиболее подходящим для конкретного применения, мы настоятельно рекомендуем вам обратиться за помощью к нашему инженерному персоналу.

Перед тем, как начать фактический процесс выбора модуля TE, разработчик должен быть готов ответить на следующие вопросы:

  1. При какой температуре необходимо поддерживать охлаждаемый объект?
  2. Сколько тепла нужно отводить от охлаждаемого объекта?
  3. Важно ли время теплового отклика? Если да, как быстро должна измениться температура охлаждаемого объекта после подачи питания постоянного тока?
  4. Какая ожидается температура окружающей среды? Изменится ли значительно температура окружающей среды во время работы системы?
  5. Каков посторонний подвод тепла (утечка тепла) к объекту в результате проводимости, конвекции и / или излучения?
  6. Сколько места доступно для модуля и радиатора?
  7. Какая мощность имеется?
  8. Нужно ли контролировать температуру охлаждаемого объекта? Если да, то с какой точностью?
  9. Какова предполагаемая приблизительная температура радиатора во время работы? Возможно ли, что температура радиатора существенно изменится из-за колебаний окружающей среды и т. Д.?


Очевидно, что каждое приложение будет иметь свой собственный набор требований, которые, вероятно, будут различаться по уровню важности. Основываясь на любых критических требованиях, которые нельзя изменить, работа проектировщика будет заключаться в выборе совместимых компонентов и рабочих параметров, которые в конечном итоге сформируют эффективную и надежную систему охлаждения. Пример дизайна представлен в разделе 9.5, чтобы проиллюстрировать концепции, используемые в типичном процессе проектирования.

9.2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДУЛЯ TE: Перед тем, как приступить к проектированию термоэлектрических устройств, необходимо иметь представление об основных рабочих характеристиках модуля. Данные о производительности представлены в графическом виде и относятся к определенной базовой температуре радиатора. Большинство графиков производительности стандартизированы для температуры радиатора (Th) + 50 ° C, а полученные данные можно использовать в диапазоне приблизительно от 40 ° C до 60 ° C с небольшой погрешностью. По запросу мы можем предоставить графики производительности модулей для любой температуры в диапазоне от -80 ° C до + 200 ° C.

9,3 Чтобы продемонстрировать использование этих кривых производительности, приведем простой пример. Предположим, у нас есть небольшой электронный «черный ящик», который рассеивает 15 Вт тепла. Для правильной работы электронного блока его температура не должна превышать 20 ° C. Температура окружающей среды в помещении часто поднимается намного выше уровня 20 ° C, что требует использования термоэлектрического охладителя для снижения температуры устройства. В целях этого примера мы не будем рассматривать радиатор (на практике мы не можем этого сделать), кроме как заявить, что его температура может поддерживаться на уровне 50 ° C в худших условиях.Мы исследуем использование модуля на 71 пару, 6 ампер, чтобы обеспечить необходимое охлаждение.

9.3.1 ГРАФИК: Qc в зависимости от I Этот график, показанный на рисунке (9.1), связывает тепловую насосную мощность (Qc) модуля и разность температур (DT) как функцию входного тока (I). В этом примере установленные рабочие параметры для модуля TE включают Th = 50 ° C, Tc = 20 ° C и Qc = 15 Вт. Требуемый DT = Th-Tc = 30 ° C.

Сначала необходимо определить, способен ли один модуль на 71 пару, 6 ампер обеспечить достаточный отвод тепла для удовлетворения требований приложения.Мы обнаруживаем линию DT = 30 и обнаруживаем, что максимальное значение Qc происходит в точке A и при входном токе 6 ампер. Продлив линию от точки A к левой оси y, мы видим, что модуль способен перекачивать примерно 18 Вт при поддержании Tc на уровне 20 ° C. Поскольку этот Qc немного выше, чем необходимо, мы следуем вниз по линии DT = 30, пока не достигнем положения (точка B), которое соответствует Qc, равному 15 Вт. Точка B — это рабочая точка, которая удовлетворяет нашим тепловым требованиям.Продолжая линию вниз от точки B к оси x, мы обнаруживаем, что правильный входной ток составляет 4,0 ампера.


Рисунок (9.1)

Теплонасосная способность, связанная с перепадом температур, как функция входного тока для модуля на 71 пару, 6 ампер

9.3.2 ГРАФИК: Vin в зависимости от I Этот график, показанный на рисунке (9.2), связывает входное напряжение модуля (Vin) и разность температур (DT) как функцию входного тока (I).В этом примере параметры модуля TE включают Th = 50 ° C, DT = 30 ° C и I = 4,0 ампер. Мы располагаем линию DT = 30 и на пересечении 4,0 ампер отмечаем точку C. Продвигая линию от точки C к левой оси y, мы видим, что требуемое входное напряжение модуля (Vin) составляет примерно 6,7 вольт.


Рисунок (9.2)

Входное напряжение, зависящее от температуры
Дифференциал как Функция входного тока для модуля с парами 7I, 6 ампер

9.3.3 ГРАФИК: COP по сравнению с I Этот график, показанный на рисунке (9.3), связывает коэффициент полезного действия модуля (COP) и перепад температур (DT) как функцию входного тока (I). В этом примере параметры модуля TE включают Th = 50 ° C, DT = 30 ° C и I = 4,0 ампер.

Находим линию DT = 30 и на пересечении 4,0 ампер отмечаем точку D. Продвигая линию от точки D к левой оси Y, мы видим, что коэффициент полезного действия модуля равен примерно 0.58.


Рисунок (9.3)

Коэффициент полезного действия, связанный с перепадом температур
как Функция входного тока для модуля на 71 пару, 6 ампер

Обратите внимание, что COP является мерой эффективности модуля, и всегда желательно максимизировать COP, когда это возможно. COP можно рассчитать по:

9,4 Дополнительный график зависимости Vin от Th, как показано на рисунке (9.4) связывает входное напряжение (Vin) и входной ток (I) модуля в зависимости от температуры горячей стороны модуля (Th). Из-за эффекта Зеебека входное напряжение при заданном значении I и Th является самым низким, когда DT = O, и самым высоким, когда DT находится в максимальной точке. Следовательно, график зависимости Vin от Th обычно представляется для условия DT = 30, чтобы получить среднее значение Vin.


Рисунок (9.4)

Входное напряжение, связанное с входным током, как функция
Температура горячей стороны для модуля на 71 пару, 6 ампер

9.5 ПРИМЕР КОНСТРУКЦИИ: Чтобы проиллюстрировать типичный процесс проектирования, давайте представим пример применения ТЕ-охладителя, включающего температурную стабилизацию лазерного диода. Диод вместе с соответствующей электроникой должен быть установлен в корпусе DIP Kovar и должен поддерживаться при температуре 25 ° C. Когда корпус установлен на системной плате, испытания показывают, что его тепловое сопротивление составляет 6 ° C / ватт. Общая мощность рассеивания лазерной электроники составляет 0,5 Вт, а расчетная максимальная температура окружающей среды составляет 35 ° C.

Необходимо выбрать модуль охлаждения TE, который не только будет обладать достаточной охлаждающей способностью для поддержания надлежащей температуры, но также будет соответствовать требованиям к размерам, предъявляемым к корпусу. Изначально был выбран 18-парный TE-кулер на 1,2 ампера, потому что он имеет совместимые размеры и, как представляется, соответствующие рабочие характеристики. Графики производительности для этого модуля будут использоваться для получения соответствующих параметров для выполнения математических расчетов.Чтобы начать процесс проектирования, мы должны сначала оценить теплоотвод и оценить температуру горячей стороны модуля (Th) в наихудшем случае. Для выбранного охладителя TE максимальную потребляемую мощность (Pin) можно определить по рисунку (9.5) в точке A.

  • Макс. Входная мощность модуля (вывод) = 1,2 А x 2,4 В = 2,9 Вт
  • Макс. Тепловая нагрузка на корпус = 2,9 Вт + 0,5 Вт = 3,4 Вт
  • Повышение температуры корпуса = 3,4 Вт x 6 ° C / Вт = 20.4 ° С
  • Макс. Температура корпуса (T,) = 35 ° C окружающей среды + повышение на 20,4 ° C = 55,4 ° C Поскольку температура горячей стороны (Th), равная 55,4 ° C, достаточно близка к имеющимся графикам рабочих характеристик Tin = 50 ° C, эти графики могут быть используется для определения тепловых характеристик с очень небольшой ошибкой.


Рисунок (9.5)
График зависимости Vin от I для 18-парного модуля I.2 Am

Теперь, когда мы установили значение Th для наихудшего случая, можно оценить производительность модуля.

Разница температур модуля (DT) = Th — Tc = 55,4 — 25 = 30 ° C

Рисунок (9,6)
График Qc в сравнении с I для модуля на 18 пар, 1,2 ампера

Из рисунка (9.6) видно, что максимальная мощность теплового насоса (Qc) для DT = 30 достигается в точке B и составляет примерно 0,9 Вт. Поскольку требуется Qc всего 0,5 Вт, мы можем проследить линию DT = 30 вниз, пока она не пересечет линию 0,5 Вт, отмеченную как точка C.Продлевая линию вниз от точки C до оси x, мы видим, что входной ток (I) приблизительно 0,55 ампер обеспечит требуемую эффективность охлаждения. Возвращаясь к графику Vin против I на рисунке (9.5), для тока 0,55 ампер, отмеченного точкой D, требуется напряжение (Vin) около 1,2 вольт. Теперь нам нужно повторить наш анализ, потому что требуемая входная мощность значительно ниже, чем значение, используемое для нашего первоначального расчета. Новые значения мощности и температуры будут:

  • Макс.Входная мощность модуля (вывод) = 0,55 А x 1,2 В = 0,66 Вт
  • Макс. Тепловая нагрузка на корпус = 0,66 Вт + 0,50 Вт = 1,16 Вт
  • Повышение температуры корпуса = 1,16 Вт x 6 C / Вт = 7 ° C
  • Макс. Температура корпуса (Th) = 35 ° C окружающей среды + повышение на 7 ° C = 42 ° C


Разница температур модуля (DT) = Th-Tc = 42 ° C-25 ° C = 17 ° C

Видно, что, поскольку теперь у нас есть другое новое значение Th, необходимо будет продолжать повторять шаги, описанные выше, до тех пор, пока не будет достигнуто стабильное состояние.Обратите внимание, что расчеты обычно повторяются до тех пор, пока разница в значениях Th от последовательных расчетов не станет довольно небольшой (часто менее 0,1 C для хорошей точности). Нет причин приводить здесь повторяющиеся вычисления, но мы можем сделать вывод, что выбранный 18-парный ТЕ-модуль будет очень хорошо работать в этом приложении. Этот анализ ясно показывает важность радиатора в любом термоэлектрическом охлаждающем устройстве.

9.6 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ МОДУЛЕЙ: Относительно большие термоэлектрические системы охлаждения могут потребовать использования нескольких отдельных модулей для получения требуемой скорости отвода тепла.Для таких применений модули TE обычно термически устанавливаются параллельно и соединяются последовательно электрически. В некоторых случаях также может быть успешно использовано электрическое последовательно-параллельное соединение. Поскольку характеристики радиатора становятся все более важными с ростом уровня мощности, убедитесь, что выбранный радиатор подходит для конкретного применения.

(PDF) Исследование тепловых и электрических характеристик термоэлектрического охладителя TEC1-127 серии

Исследование тепловых и электрических характеристик термоэлектрического охладителя

TEC1-127 Series

Акрам М.N1, a), *, Nirmani H.R1, *, Jayasundere ND1

1 Кафедра электротехники и информационных технологий

Инженерный факультет Университета Рухуна

Галле, Шри-Ланка

a) [email protected] .org

* Эти авторы внесли равный вклад в эту работу.

Реферат. Термоэлектрические охладители (ТЭО) широко используются в промышленности

для холодоснабжения. Хотя по ТИК было проведено обширное

исследований, они основаны либо на моделировании ТИК

, либо на приложениях ТИК.Следовательно, пользователям

сложно собрать необходимую информацию о ТИК, когда те

будут использоваться в приложениях. Это исследование основано на серии TEC1-127

для изучения их тепловых и электрических характеристик. Эта работа

включает в себя основные результаты испытаний, которые были проведены по заказу

для определения взаимосвязи между напряжением и температурой /

температурным градиентом двух поверхностей / током в ТЕС. Этот

также включает результаты разницы в поведении десяти образцов

ТЕС, взаимосвязь между количеством ТЕС и временем

, необходимым для охлаждения статического объема воздуха и эффективности, а также влияние

различных методов охлаждения для отвода тепла от ТЕС. поверхности.

Помимо результатов испытаний, в документе обсуждаются практические

ограничения ТЕС массового производства.

Ключевые слова: охлаждение; поглощение тепла; Пельтье; температура

градиент; термоэлектрические охладители; термоэлектрический модуль

I. ВВЕДЕНИЕ

ТЭО могут использоваться в целях охлаждения при практических

ограничениях, таких как меньшая эффективность [1-2]. ТЭО состоят из массива полупроводниковых пар

.Когда подается постоянное напряжение

, одна поверхность ТЭО поглощает тепло, делая поверхность

холодной, а противоположные стороны нагреваются [3-4].

Это явление можно описать с помощью эффекта Пельтье. Минимальная температура

, которую можно получить через холодную поверхность

, зависит от определенных факторов, включая температуру окружающей среды

, подаваемое напряжение, механизмы охлаждения, используемые в поверхностях

, и качество модуля ТЕС.TEC могут использоваться для охлаждения

поверхностей материала, статических или динамических потоков.

В зависимости от применения ТЕС должны использоваться оптимальным образом

.

Подробная принципиальная схема ТЭО показана на рис. 1.

Он содержит две керамические пластины. Между двумя керамическими пластинами

помещена матрица из полупроводниковых пар

n-типа. Эти элементы расположены электрически последовательно

и термически параллельно [1], [3-4].Когда положительное постоянное напряжение равно

,

, подаваемое на полупроводник n-типа, будет проходить от термоэлемента p-

к термоэлементу n-типа, вызывая уменьшение тепла

на холодной поверхности и увеличение нагрева на горячей поверхности. Скорость поглощения тепла

пропорциональна количеству термоэлектрических пар

и величине приложенного тока. Типичный TEC1-127

будет содержать 127 термоэлектрических пар

[6].

Есть три основных эффекта, которые вызывают физические изменения в

ТИК. Это эффект Пельтье, эффект Зеебека и эффект Томсона

. Первый был открыт Жаном Пельтье в 1834 году [4-6].

Эффект Пельтье описывает, что изменение температуры может происходить

, когда электрический ток проходит через соединение, которое

состоит из двух разнородных материалов [4]. Скорость теплопередачи

между двумя спаями определяется выражением (1).

(1)

где — коэффициенты Пельтье двух материалов.

Рис. 1. Подробная принципиальная схема термоэлектрического охладителя

Томас Зеебек расширил теорию Пельтье, объяснив

, что электродвижущая сила создается, когда градиент температуры

подается на соединение двух материалов, что составляет

напротив. эффекта Пельтье и названного эффектом Зеебека [4].

Уильям Томсон смог определить, что в проводнике

, несущем ток с разницей температур между двумя точками

, тепло либо поглощается, либо выделяется в зависимости от материала

[4].

Спецификации, предоставленные производителями для ТЕС, не являются подробным описанием

для использования в таких приложениях, как охлаждение статического объема воздуха

или охлаждение динамического потока, где должны использоваться

ТЕС. Исследования ТИК были

ограничены применениями ТИК и моделированием ТИК. №

. Недавние исследования были проведены для анализа характеристик

ТИК, которые различаются в зависимости от различных факторов.Пользователи TEC могут столкнуться с трудностями при выборе входного напряжения

и количества используемых TEC до

в зависимости от требований. Это исследование направлено на то, чтобы

облегчить пользователям TEC более точную справочную информацию по эксплуатационным характеристикам

TEC.

II. ЭКСПЕРИМЕНТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Был проведен ряд экспериментов для определения

практического поведения ТИК. Все эксперименты проводились

с образцами серии TEC1-127 при температуре окружающей среды

290 С.Входное напряжение ТЕС изменялось только до 13 В, начиная с

максимальное напряжение, указанное для модуля, составляет 14,4 В. Температуры

были измерены датчиком температуры

DS18B20.

Часто задаваемые вопросы и техническая информация — TE Technology

Нажмите на интересующий раздел:

Часто задаваемые вопросы по термоэлектрикам

1. Как работает термоэлектрический модуль?

Термоэлектрические модули — это твердотельные тепловые насосы, работающие на эффекте Пельтье (см. Определения).Термоэлектрический модуль состоит из массива полупроводниковых элементов p- и n-типа, которые сильно легированы электрическими носителями. Элементы скомпонованы в массив, который электрически соединен последовательно, но термически соединен параллельно. Затем этот массив прикрепляется к двум керамическим подложкам, по одной с каждой стороны элементов (см. Рисунок ниже). Давайте посмотрим, как происходит теплопередача, когда электроны проходят через одну пару элементов p- и n-типа (часто называемую «парой») внутри термоэлектрического модуля:

Полупроводник p-типа легирован определенными атомами, которые имеют меньше электронов, чем необходимо для завершения атомных связей внутри кристаллической решетки.При приложении напряжения электроны проводимости стремятся завершить атомные связи. Когда электроны проводимости делают это, они оставляют «дыры», которые по существу являются атомами внутри кристаллической решетки, которые теперь имеют локальные положительные заряды. Затем электроны непрерывно падают и выбрасываются из отверстий и переходят к следующему доступному отверстию. Фактически, именно дыры действуют как носители электричества.

Теперь электроны движутся намного легче в медных проводниках, но не так легко в полупроводниках.Когда электроны покидают p-тип и входят в медь с холодной стороны, в p-типе образуются дыры, поскольку электроны выпрыгивают на более высокий энергетический уровень, чтобы соответствовать энергетическому уровню электронов, уже движущихся в меди. Дополнительная энергия для создания этих отверстий поступает за счет поглощения тепла. Между тем, вновь созданные отверстия перемещаются вниз к меди на горячей стороне. Электроны из меди с горячей стороны переходят в p-тип и падают в отверстия, высвобождая избыточную энергию в виде тепла.

Полупроводник n-типа легирован атомами, которые обеспечивают больше электронов, чем необходимо для завершения атомных связей внутри кристаллической решетки. При приложении напряжения эти лишние электроны легко перемещаются в зону проводимости. Однако требуется дополнительная энергия, чтобы заставить электроны n-типа соответствовать уровню энергии поступающих электронов из меди с холодной стороны. Дополнительная энергия поступает за счет поглощения тепла. Наконец, когда электроны покидают горячую сторону n-типа, они снова могут свободно перемещаться в меди.Они опускаются до более низкого энергетического уровня и при этом выделяют тепло.

Приведенное выше объяснение неточно, поскольку оно не охватывает всех деталей, но служит для объяснения словами, что в противном случае является очень сложным физическим взаимодействием. Суть в том, что тепло всегда поглощается на холодной стороне элементов n- и p-типа, а тепло всегда выделяется на горячей стороне термоэлектрического элемента. Насосная мощность модуля пропорциональна току и зависит от геометрии элемента, количества пар и свойств материала.

Вернуться к началу

2. Какое математическое уравнение описывает работу термоэлектрического модуля?

На рисунке выше изображена термоэлектрическая пара. Он показывает некоторые термины, используемые в математическом уравнении:
L = высота элемента A = площадь поперечного сечения Qc = тепловая нагрузка
Tc = температура холодной стороны Th = температура горячей стороны I = приложенный ток
Дополнительно:
S = коэффициент Зеебека R = удельное электрическое сопротивление K = теплопроводность
В = напряжение N = количество пар
Вот основные уравнения:
Qc = 2 * N * [S * I * Tc -1/2 * I ^ 2 * R * L / A — K * A / L * (Th — Tc)]
V = 2 * N * [S * (Th -Tc) + I * R * L / A]

Первый член Qc, S * I * Tc, представляет собой охлаждающий эффект Пельтье.2 * R * L / A представляет эффект джоулева нагрева, связанный с прохождением электрического тока через сопротивление. Джоулевое тепло распределяется по всему элементу, поэтому 1/2 тепла идет на холодную сторону, а 1/2 тепла идет на горячую сторону. Последний член, K * A / L * (Th-Tc), представляет эффект Фурье, при котором тепло переходит от более высокой температуры к более низкой температуре. Таким образом, охлаждение Пельтье снижается за счет потерь, связанных с электрическим сопротивлением и теплопроводностью.

Для напряжения первый член S * (Th-Tc) представляет напряжение Зеебека.Второй член, I * R * L / A, представляет напряжение, зависящее от закона Ома.

Эти уравнения очень упрощены и предназначены для демонстрации основной идеи, лежащей в основе используемых вычислений. Фактические дифференциальные уравнения не имеют решения в замкнутой форме, поскольку S, R и K зависят от температуры. К сожалению, предположение о постоянных свойствах может привести к значительным ошибкам.

TE Technology использует специальное запатентованное программное обеспечение для моделирования, которое учитывает температурную зависимость термоэлектрических свойств материала, а также все соответствующие конструктивные аспекты всей системы.Программное обеспечение использует данные о свойствах материалов из реальных результатов испытаний термоэлектрических модулей, поэтому дает очень точные результаты. Когда мы создаем индивидуальный кулер для вашего приложения, такая высокая точность означает, что вам обычно нужен только один прототип для проверки эффективности охлаждения.

Вернуться к началу

3. В чем преимущества термоэлектрического агрегата перед компрессором?

Термоэлектрические модули не имеют движущихся частей и не требуют использования хлорфторуглеродов.Поэтому они безопасны для окружающей среды, по своей сути надежны и практически не требуют обслуживания. Они могут работать в любом положении и идеально подходят для охлаждающих устройств, которые могут быть чувствительны к механической вибрации. Их компактный размер также делает их идеальными для приложений с ограниченным размером или весом, где даже самый маленький компрессор будет иметь избыточную мощность. Их способность нагревать и охлаждать за счет простого реверсирования потока тока полезна в приложениях, где необходимо как нагрев, так и охлаждение или где критически важен точный контроль температуры.

Вернуться к началу

4. В каких отраслях используется термоэлектричество?

Термоэлектрические охладители используются в самых требовательных отраслях промышленности, таких как медицина, лаборатории, аэрокосмическая промышленность, полупроводники, телекоммуникации, промышленность и бытовая техника. Диапазон применения варьируется от простых холодильников для еды и напитков для послеобеденного пикника до чрезвычайно сложных систем контроля температуры в ракетах и ​​космических аппаратах.

Термоэлектрический охладитель позволяет снизить температуру объекта ниже температуры окружающей среды, а также стабилизировать температуру объектов выше температуры окружающей среды.Термоэлектрический охладитель отличается от радиатора, поскольку он обеспечивает активное охлаждение, в отличие от радиатора, который обеспечивает только пассивное охлаждение.

Термоэлектрические охладители могут использоваться в приложениях, требующих отвода тепла от милливатт до нескольких тысяч ватт. Однако в термоэлектрике существует общая аксиома: чем меньше, тем лучше. Термоэлектрический охладитель имеет наибольший смысл при использовании в приложениях, где даже самая маленькая система парокомпрессора обеспечит гораздо большее охлаждение, чем необходимо.В этих ситуациях термоэлектрический охладитель может стать решением, которое меньше, меньше весит и более надежно, чем сравнительно небольшая компрессорная система.

Однако в последние годы наблюдается тенденция к созданию все более крупных термоэлектрических систем. По мере того, как источники питания становятся менее дорогими, это привело к снижению стоимости полной термоэлектрической системы (охладитель, источник питания и регулятор температуры), поэтому системы с более высокой мощностью теперь более востребованы на рынке. Системы с мощностью в диапазоне 200-400 Вт становятся все более распространенными, хотя они все еще не так распространены, как системы меньшего размера, в которых охлаждающая способность ниже 100 Вт.

Большие термоэлектрические системы киловаттного диапазона были созданы для специализированных применений, таких как охлаждение на подводных лодках и железнодорожных вагонах или охлаждающие технологические ванны в специализированных областях, таких как производство полупроводников. В случаях, когда термоэлектрические охладители используются для таких больших приложений, обычно была веская причина, по которой система парокомпрессора не использовалась (например, необходимо минимизировать вибрацию или требуется точный контроль температуры).В этом случае дополнительные затраты и повышенное энергопотребление термоэлектрического охладителя могут быть оправданы.

Типичные области применения термоэлектрических охладителей:

Лазерные диоды

Приборы лабораторные

Температурные бани

Корпуса для электроники

Холодильники

Телекоммуникационное оборудование

Вернуться к началу

5. Каков КПД термоэлектрического модуля?

С технической точки зрения, слово «эффективность» относится к соотношению объема работы, которую выполняет машина, к количеству потребляемой мощности.В тепловых насосах этот термин используется редко, потому что можно удалить больше тепла, чем количество потребляемой мощности, необходимое для перемещения этого тепла. Для термоэлектрических модулей обычно используется термин «коэффициент полезного действия», а не «эффективность». Коэффициент полезного действия (COP) — это количество перекачиваемого тепла, деленное на количество подаваемой электроэнергии.

COP зависит от тепловой нагрузки, входной мощности и требуемого перепада температур. Обычно КПД находится в пределах 0.3 и 0,7 для одноступенчатых приложений. Однако КПД более 1,0 может быть достигнуто, особенно когда модуль перекачивает против положительной разницы температур (то есть, когда модуль отводит тепло от объекта, который более теплый, чем окружающая среда). На рисунке ниже показан нормализованный график зависимости COP от I / Imax (отношение входного тока к спецификации модуля Imax). Каждая строка соответствует константе DT / DTmax (отношение требуемой разности температур к спецификации модуля DTmax).

Вернуться к началу

6. Хочу сделать свой охлаждающий узел. Как выбрать подходящий модуль для моей системы?

Вы можете использовать нашу программу выбора модулей в Peltier-Thermoelectric-Cooler-Module-Selector. Подробные инструкции по использованию программы вместе с вашей тепловой моделью можно скачать здесь. Мы видели базовые характеристики других программных модулей и рекомендации, основанные на определенных предположениях, которые в противном случае могут привести к значительным ошибкам.Наша программа выбора модулей не делает никаких предположений относительно конструкции вашей системы — рекомендации основаны на рабочих температурах модуля, тепловой нагрузке и DTmax. Это делает процесс выбора более точным, поскольку вы знаете, какие предположения делаются. Имейте в виду, что правильный выбор модуля — это итеративный процесс, который требует времени и исследований. Если вы не хотите тратить время и деньги на выбор собственного модуля, разработку собственной системы, наличие необходимой квалифицированной рабочей силы для ее сборки и т. Д., то у нас есть настоятельно рекомендуемая альтернатива: стандартные (или нестандартные) системы охлаждения. Вся тяжелая работа уже сделана нами, когда вы покупаете сборку у TE Technology.

Однако, если вы уверены, что хотите создать свой собственный охлаждающий узел, вот краткое описание того, что при этом происходит:

Сначала вы должны определить ваши рабочие температуры и количество тепла, которое вам нужно отвести. Основываясь на этих параметрах, программа выбора модулей поможет вам выбрать модуль с наименьшим энергопотреблением, наименьшим размером или их комбинацию.

Затем вы анализируете свою тепловую систему на основе размера, рабочего напряжения и тока для выбранного модуля. На этом этапе вы убедитесь, что рабочие температуры и тепловая нагрузка, которые вы использовали для выбора модуля, реалистичны. Если анализ показывает, что ваши цифры были реалистичными, значит, вам конец. В противном случае вы должны ввести новую тепловую нагрузку и рабочие температуры и повторить процесс до тех пор, пока выбранный модуль не будет соответствовать вашим окончательным требованиям.

Вернуться к началу

7.Насколько надежны термоэлектрические системы?

Термоэлектрические системы обладают высокой надежностью при условии их правильной установки и эксплуатации. Тем не менее, конкретную надежность термоэлектрических охладителей, как правило, трудно определить, поскольку интенсивность отказов в значительной степени зависит от конкретного применения. Термоэлектрические модули, которые находятся в устойчивом состоянии (постоянная мощность, тепловая нагрузка, температура и т. Д.), Могут иметь среднее время наработки на отказ (MTBF), превышающее 200 000 часов.Однако приложения, связанные с циклическим термоциклированием, показывают значительно худшие значения среднего времени безотказной работы, особенно когда охладители TE подвергаются циклическому нагреву до высокой температуры. При термоциклировании более подходящей мерой надежности является не время, а количество циклов.

Все материалы расширяются или сжимаются при нагревании или охлаждении. Разные материалы расширяются с разной скоростью. Скорость расширения определяется свойством материала, которое называется коэффициентом теплового расширения (КТР). Как правило, по мере того, как холодная сторона модуля становится холоднее, он сжимается, а по мере того, как горячая сторона становится более горячей, он расширяется.Это изгибает термоэлектрические элементы и их паяные соединения. Кроме того, поскольку модуль изготовлен из нескольких различных материалов, возникает дополнительное напряжение просто потому, что сами материалы расширяются / сжимаются с разной скоростью. После многократного термоциклирования паяные соединения в модуле устают, и электрическое сопротивление увеличивается. Мощность охлаждения снижается, и в конечном итоге модуль выходит из строя. Таким образом, «точка отказа» является функцией рабочей температуры, продолжительности температурных циклов и того, сколько деградаций может выдержать конкретная система, прежде чем рабочие характеристики станут неприемлемыми.Все термоэлектрические модули (независимо от производителя) испытывают одинаковые нагрузки при работе, но то, как они выдерживают эти нагрузки, зависит от качества сборки — выбор производителя с хорошими, прочными паяными соединениями является обязательным! (Конечно, мы уделяем особое внимание тому, чтобы наши модули имели паяные соединения высочайшего качества.)

Аналогичное явление происходит, когда модуль припаян или приклеен эпоксидной смолой к радиатору. Точка «нулевого напряжения» (то есть точка, где нет внутреннего напряжения, возникающего из-за несовпадения КТР) замерзнет между керамической подложкой и радиатором, когда припой или эпоксидная смола станут жесткими при некоторой температуре, которая обычно отличается от рабочая температура.Другими словами, модуль подвергается предварительному напряжению, когда модуль и припой снова остывают до комнатной температуры (при условии, что модуль припаян к радиатору).

Поскольку сборка подвергается термическому циклу, не только сам модуль испытывает усталостное напряжение, но и линия соединения между модулем и радиатором. Опять же, разные материалы будут расширяться с разной скоростью. Радиатор, припой (или эпоксидная смола) и модуль будут расширяться по-разному. Это может быть особенно неприятно, потому что облигация потенциально может потерпеть неудачу на локальных участках.В этих местах модуль может перегреться, что усугубит проблему. Вот почему мы не рекомендуем паять (или покрывать эпоксидной смолой) модуль на его радиаторе. Если вы припаиваете (или наносите эпоксидную смолу) модули, мы рекомендуем выполнить термический цикл всей сборки, чтобы обеспечить достаточный срок службы.

TE Technology не публикует данные о надежности термоэлектрических охладителей для общего пользования. Данные о надежности действительны только для условий, в которых проводился тест, и не обязательно применимы к другим конфигурациям.Существует множество параметров и условий применения, которые влияют на надежность. Сборка охладителя, методы монтажа, источник питания, системы и методы контроля температуры, а также температурные профили — это всего лишь несколько факторов, которые в совокупности могут приводить к частоте отказов от чрезвычайно низкой до очень высокой. Опять же, «точка отказа» специфична для каждого приложения.

Также возможен компромисс между тепловыми характеристиками кулера, стоимостью его изготовления и надежностью в отношении термоциклирования или других факторов.Например, наша линейка стандартных охлаждающих агрегатов оптимизирована для нашего типичного клиента — эти клиенты не используют систему в условиях многократного термоциклирования и, следовательно, не хотят платить (стоимостью или производительностью) за охладитель, оптимизированный для термоциклирования.

Свяжитесь с нами, если ваше приложение связано с термоциклированием. Возможно, мы сможем предоставить результаты непатентованных тестов, которые в некоторой степени могут быть применимы; в противном случае мы можем помочь вам с программой тестирования, чтобы у вас были данные для определения того, насколько система охлаждения будет подходить для вашего приложения.Чтобы оценить истинную надежность, мы рекомендуем испытать все системы охлаждения в реальных условиях эксплуатации.

Ниже приведены лишь несколько комментариев, касающихся общих тенденций в отношении надежности:

a) Термоэлектрические модули демонстрируют относительно высокую механическую прочность на сжатие, но сравнительно низкую прочность на растяжение и сдвиг. Следовательно, TE-модуль не должен использоваться для поддержки веса, который, в частности, мог бы подвергнуть его растягивающему или сдвиговому напряжению. Кроме того, в приложениях, где будут присутствовать удары и вибрация, термоэлектрический модуль следует зажать между двумя пластинами, а не использовать припой или эпоксидную смолу для крепления модуля к радиатору.При правильной установке термоэлектрические модули успешно справляются с требованиями к ударам и вибрации в аэрокосмической, военной и аналогичной средах. Кроме того, наша заливка обеспечивает повышенную механическую прочность. Фактически, наша заливка была изначально разработана для того, чтобы модули могли выдерживать нагрузки при запуске баллистических ракет. Для получения дополнительной информации нажмите здесь. Кроме того, загрузите tem_ (термоэлектрический_модуль) _mounting_procedure.pdf [Adobe PDF Document] для получения дополнительных сведений о правильных методах монтажа.

Аналогичным образом, при использовании нескольких модулей в сборке они должны иметь общую высоту с точностью до 0.025 мм. В противном случае неравномерное усилие зажима может привести к растрескиванию модуля.

b) Влага не должна попадать внутрь термоэлектрического модуля, чтобы предотвратить как снижение эффективности охлаждения, так и возможную коррозию материалов модуля. См. Дополнительную информацию в разделе «Повышение влажности для защиты от влаги».

c) Применение, связанное с большими изменениями температуры или термоциклированием, может вызвать термическую усталостную нагрузку. Опять же, термоэлектрические модули не следует устанавливать с помощью припоя или эпоксидной смолы.Такие способы монтажа могут вызвать концентрацию напряжений из-за различных несоответствий в коэффициентах теплового расширения. Мы настоятельно рекомендуем монтировать модули зажимом (с применением сжатия) и с использованием термопасты или гибкого монтажного материала, такого как прокладка для теплопередачи, в качестве интерфейса между модулем и пластиной. В любом случае жесткий монтаж не рекомендуется для модулей размером более примерно 15 мм.

Чтобы свести к минимуму влияние термоциклирования, минимизируйте температурный диапазон цикла и минимизируйте количество тепловых циклов.Если термоциклирование является обязательным, вам следует выбрать физически небольшой модуль с большой площадью пеллет. (Таблетка — это термоэлектрический элемент, используемый в модуле. В номере детали модуля второе число определяет ширину каждой гранулы в мм, что, в свою очередь, определяет площадь основания гранулы.) Таким образом, чем меньше размер модуля, тем больше он, как правило, надежен, и чем больше размер гранулы, тем надежнее он может быть. Кроме того, при необходимости модули можно настроить так, чтобы они лучше справлялись с термоциклированием.

г) Методы контроля температуры также влияют на надежность термоэлектрического модуля. Для обеспечения большей надежности всегда следует выбирать линейное управление или управление с широтно-импульсной модуляцией (частота не менее 300 Гц), а не управление включением / выключением. Контроллер типа ВКЛ / ВЫКЛ в основном вызывает термоциклирование, поэтому его следует избегать.

e) Воздействие высоких температур следует минимизировать, насколько это возможно, для повышения надежности. Стандартные модули рассчитаны на максимальную температуру 80 ° C. Высокотемпературные модули рассчитаны на модули 200 ° C.Однако эти температурные пределы несколько произвольны. Все модули, независимо от производителя, будут подвержены воздействию высоких температур. Некоторые, конечно, более устойчивы к изменениям, чем другие.

Модуль состоит из никелированных медных проводников для электрического соединения термоэлектрических гранул друг с другом. Медь имеет тенденцию диффундировать в термоэлектрический материал, и это может ухудшить характеристики. Таким образом, добавляется никелирование, которое служит диффузионным барьером для меди.К сожалению, никель не является идеальным барьером, и атомы меди все равно будут диффундировать, хотя и гораздо медленнее, чем если бы никелевый барьер вообще не был. Скорость диффузии обычно увеличивается экспоненциально с температурой: чем выше рабочая температура, тем быстрее будет происходить диффузия с соответствующим ухудшением характеристик. Однако, в частности, с модулем 80 ° C при температуре 85 ° C компоненты припоя могут начать мигрировать по плоскостям скола термоэлектрического материала из-за предполагаемой незначительной эвтектической реакции.Это приводит к механически слабому паяному соединению и физическому расширению таблетки.

Температурные характеристики модулей зависят от технологии их изготовления. В модуле 80 ° C используется припой, плавящийся при 140 ° C. Имеет отличные электрические контакты. Модуль 200 ° C также имеет два никелевых барьера: слой никеля на медном выступе и слой никеля на концах таблетки. Припой плавится при 232 ° C.

f) Дополнительную информацию можно найти, загрузив публикации, касающиеся надежности, на странице Загрузки.

г) Не все термоэлектрические модули одинакового качества! У разных производителей разные методы, и мы наблюдаем очень разное качество при сравнении модулей одинакового размера и емкости от разных производителей. Неправильная пайка, неправильная металлизация керамики и неправильное никелирование — это лишь некоторые из потенциальных проблем, которые могут снизить надежность. Будьте внимательны при выборе поставщика модуля!

Вернуться к началу

8.Будет ли TE Technology заниматься контрактным производством?

TE Technology выполняет контрактное производство для компаний, которые имеют существующую термоэлектрическую конструкцию и хотели бы найти компанию для производства своей детали. У нас есть собственные современные возможности обработки, а также полный отдел испытаний для контроля окружающей среды. Когда компании складывают затраты на инженеров-термоэлектриков, сборщиков, инвентарь и производственную площадь вместе с затратами на проектирование, обслуживание и калибровку необходимого оборудования для термоэлектрических испытаний, они обнаруживают, что это дороже, чем само сырье.Благодаря аутсорсингу эти заказчики сокращают накладные расходы, получая при этом выгоду от неизменно превосходного качества сборки. Независимо от того, насколько мал или велик ваш уровень производства, если вы хотите изучить этот вариант, отправьте нам спецификации вашего термоэлектрического охлаждающего узла с указанием количества, которое вам требуется, и мы будем рады предоставить вам предложение.

Вернуться к началу

9. Могу ли я использовать термоэлектрический охладитель в качестве нагревателя?

Термоэлектрические охладители действительно могут использоваться для очень эффективного и действенного нагрева.Поскольку термоэлектрические охладители представляют собой твердотельные тепловые насосы, они могут активно перекачивать тепло из окружающей среды в дополнение к тепловому эффекту, обусловленному электрическим сопротивлением самого охладителя. Итак, термоэлектрический охладитель может быть эффективнее резистивного нагревателя (в определенных пределах). Нагрев может быть настолько эффективным, что вы легко можете заставить модуль достичь точки плавления припоя! Необходимо следить за тем, чтобы модуль не перегревался.

Если вы заинтересованы в использовании одного из наших стандартных узлов охлаждения для охлаждения и / или обогрева, проконсультируйтесь с нами, чтобы определить, какой узел будет работать лучше всего.

Если вы заинтересованы в создании собственной сборки, вы можете использовать графики эффективности охлаждения термоэлектрического модуля, чтобы оценить, сколько нагрева можно сделать. Общая тепловая нагрузка рассчитывается, сначала оценивая разницу температур в модуле и принимая входной ток для любого конкретного модуля. Это определяет активное количество тепла, которое модуль может перекачивать из окружающей среды. Сочетание этого с общей потребляемой мощностью определяет, сколько общего нагрева может сделать модуль.Затем вы должны повторить предположение о разнице температур на основе теплового сопротивления модуля и от модуля и соответствующих передаваемых тепловых нагрузок.

Модуль может обеспечивать обогрев, при котором разница температур в модуле превышает его DTmax. Однако в таких случаях модуль не может перекачивать какое-либо активное тепло, и тогда модуль будет действовать по существу как резистивный нагреватель.

Если вы планируете выполнять циклическое изменение температуры, вы можете использовать один из наших биполярных контроллеров температуры.Эти контроллеры автоматически определяют, требуется ли нагрев или охлаждение, только на основе заданного значения. (Пожалуйста, просмотрите также FAQ №7, чтобы узнать о надежности модуля.) Если вам нужно только обогрев или охлаждение выше или ниже температуры окружающей среды, может работать контроллер, работающий только на обогрев / только на охлаждение.

Вернуться к началу

10. Насколько большим или маленьким может быть термоэлектрический охладитель?

Существуют практические ограничения на индивидуальные размеры модуля или охлаждающего узла. Микромодули, например, дороже в производстве, потому что они менее подходят для автоматизированной обработки.Для модулей большего размера коэффициенты теплового расширения и стоимость имеют тенденцию ограничивать термоэлектрические модули определенными физическими размерами.

Для охлаждающих устройств минимальный размер может быть ограничен минимальными требованиями, необходимыми для обеспечения достаточного теплоотвода. Максимальный размер ограничен требованиями монтажных пластин. Если плиты становятся слишком большими, становится слишком трудно поддерживать достаточную плоскостность поверхности. Обычно, когда требуется большая охлаждающая способность, чем может обеспечить охладитель обычно самого большого размера, вместо одного гигантского охладителя используются несколько охладителей.Примерно говоря, самый большой индивидуальный кулер имеет площадь примерно 254 мм x 177 мм, как наш стандартный CP-200. Однако всегда есть исключения; это просто общие рекомендации.

Вернуться к началу

11. Как лучше всего питать термоэлектрический охладитель?

a) В идеале термоэлектрические охладители должны работать только от постоянного тока для достижения наилучших характеристик. Однако коэффициент пульсации в 10% приведет к ухудшению разницы температур только на 1%.Большинство источников питания имеют лучшую фильтрацию, поэтому пульсации не могут быть проблемой.

б) Следует проявлять осторожность, чтобы не перегрузить кулер. Превышение мощности охладителя может привести к непреднамеренному превышению номинальных температур и вызвать повреждение охладителя.

c) Потребляемая мощность для максимальной эффективности кулера не соответствует его максимальному рабочему напряжению и току. Когда желательна максимальная эффективность, прикладываемая мощность обычно должна составлять от 1/3 до 2/3 от спецификаций Vmax и Imax модуля (модулей), используемых в сборке.

d) Если используется терморегулятор, он должен быть линейного типа или типа с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), чтобы свести к минимуму любые вредные эффекты циклического изменения температуры. Следует проявлять осторожность, чтобы использовать достаточно быструю частоту ШИМ, чтобы внутри устройства не возникало тепловых циклов. Контроллеры TE Technology используют частотный диапазон примерно от 300 Гц до 3000 Гц.

Вернуться к началу

12. Как точно термоэлектрический охладитель может поддерживать температуру?

Есть много факторов, которые влияют на общую стабильность системы или снижают ее.Однако термоэлектрический охладитель может обеспечить очень высокую степень температурной стабильности, поскольку степень охлаждения, которую он обеспечивает, пропорциональна приложенному току. Один из наших клиентов сообщил о стабильности в пределах +/- 0,0003 ° C. Однако достижение такого уровня стабильности требует значительных усилий. В конечном итоге ответ на этот вопрос зависит от контроллера и его разрешения, времени отклика конкретного охлаждающего узла и времени отклика охлаждаемого объекта.

Вернуться к началу

13. В каких диапазонах температур может работать термоэлектрический охладитель?

В подавляющем большинстве случаев разница температур в модуле TE составляет менее 60 ° C, а от охлаждаемого объекта до окружающей среды — менее 45 ° C. Одно специальное приложение, которое мы создали, предусматривало охлаждение до 145 К. Однако это потребовало очень особых усилий для достижения минимального количества перекачки тепла. В любом случае диапазон температур будет зависеть от множества факторов, в основном от количества ступеней.Устанавливая модули друг на друга, каждый модуль или ступень действует как электронный радиатор для модуля над ним. По мере увеличения количества ступеней достижимая разница температур также увеличивается. К сожалению, мощность теплового насоса снижается.

Вернуться к началу

14. Какую температуру окружающей среды выдерживают термоэлектрические охладители?

Максимальная температура окружающей среды будет зависеть от желаемой надежности, радиатора, количества рассеиваемого тепла и номинальной температуры модуля или других компонентов системы (например, вентиляторов и изоляционных материалов).Обычно максимальная температура окружающей среды ограничивается приблизительно 50 ° C для стандартных кулеров, в которых используются радиаторы с вентиляторным охлаждением. Однако кулеры, в которых используются высокотемпературные модули, могут работать и при более высоких температурах окружающей среды. Однако большинство имеющихся в продаже вентиляторов имеют максимальную рабочую температуру от -10 ° C до +70 ° C. Обязательно проконсультируйтесь с нами, чтобы проверить, возможна ли работа при более высоких температурах окружающей среды.

Вернуться к началу

15. Как определить, подходит ли термоэлектрическое охлаждение для моего приложения?

Термоэлектрическое охлаждение идеально подходит для очень небольших систем охлаждения.Термоэлектрики также идеальны, когда требуется как нагрев, так и охлаждение, а также когда требуется точный контроль температуры. Термоэлектрические системы также идеально подходят для применения в аэрокосмической отрасли, поскольку охладитель может быть установлен в любом положении и при этом нормально функционировать. Однако по мере увеличения тепловой нагрузки преимущества термоэлектрического охлаждения по сравнению с компрессорными системами уменьшаются. При оценке только на основе тепловой нагрузки компрессорная система, вероятно, будет более рентабельной, если тепловая нагрузка превышает примерно 200 Вт.

Вернуться к началу

16. Почему TE Technology должна производить систему для моего приложения?

TE Technology обладает техническими знаниями во всех соответствующих дисциплинах, применимых к термоэлектрике. Каждый продукт имеет более чем сорокалетний опыт работы в термоэлектрической технике. Кроме того, у нас есть специализированное испытательное оборудование, уникальное для термоэлектрической промышленности, которое позволяет получать быстрые (недорогие) и точные результаты испытаний 100% наших продуктов (щелкните здесь, чтобы получить дополнительную информацию).Мы предоставляем надежные, долговечные, экономичные системы и поставляем их вовремя. Наши обширные запасы, современная обработка и обширные глобальные ресурсы обеспечивают дополнительную гибкость от прототипа до промышленного производства.

Вернуться к началу

17. Какой тип тестирования рекомендует TE Technology?

TE Technology рекомендует тестировать все продукты в «наихудших» условиях их фактического или смоделированного применения. Мы хотим, чтобы наши клиенты чувствовали себя комфортно, потому что система охлаждения будет соответствовать всем их требованиям к пригодности и надежности.Хотя мы не можем сказать нашим клиентам, подходят ли определенные продукты или надежны ли они для их конкретных требований, мы можем тестировать продукты и собирать данные, чтобы клиенты могли принимать обоснованные решения. TE Technology обладает обширным испытательным оборудованием, включая: камеры с регулируемой температурой; вольеры с повышенной влажностью; оборудование для термоциклирования; оборудование для измерения температуры; и термоэлектрические тестеры. TE Technology предлагает свои ценные услуги по тестированию, чтобы вашей компании не пришлось «изобретать велосипед».Кроме того, мы можем помочь нашим клиентам в разработке индивидуальных экспериментов по тестированию продуктов. Просто позвоните нам, и мы будем рады обсудить наши различные услуги по тестированию и стоимость.

Вернуться к началу

18. Какая защита от перегрева мне нужна?

Если приобретается охлаждающий узел, мы также рекомендуем использовать защиту от перегрева / понижения температуры, чтобы свести к минимуму возможное повреждение охладителей во время работы. Это может произойти, если жидкость (в охладителе жидкости) замерзнет или если охлаждающая среда (воздух, жидкость и т. Д.)) уменьшается, и охладитель перегревается. Некоторые клиенты используют наши стандартные контроллеры температуры, такие как TC-48-20, которые имеют схему защиты от перегрева, которая может снизить вероятность возникновения таких ситуаций. Другие заказчики предпочитают включать эту защитную схему в источник питания. Конечно, мы в TE Technology рады помочь нашим клиентам выбрать наиболее эффективный тип защиты для их систем. Обратите внимание, что стандартные кулеры не оснащены защитой от перегрева / понижения температуры, если не указано иное.Если это не указано, ответственность за обеспечение такой защиты или запрос на включение защиты от превышения / понижения температуры лежит на покупателе. Мы разработали и интегрировали многие из этих средств защиты в продукцию на нашем предприятии. Просто свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши варианты.

Вернуться к началу

19. Как работают контроллеры с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)?

С помощью ШИМ питание устройства TE быстро переключается на «ВКЛ» и «ВЫКЛ» с постоянной частотой.Это создает прямоугольный «импульс» мощности с постоянным периодом времени. Время включения или ширину импульса можно изменять для создания среднего выходного напряжения (Vaverage), которое требуется устройству TE для поддержания заданной температуры (рисунок 19.1)

Рисунок 19.1

Импульсы «ВКЛ» и «ВЫКЛ» возникают так быстро, что модулю не хватает времени для изменения температуры в ответ на каждый электрический импульс. Вместо этого модуль предполагает разницу температур относительно Vaverage.При правильной настройке контроллера термоциклирование исключается. Таким образом, эти контроллеры не снижают надежность модуля из-за термоциклирования так же, как термостатический или медленный контроллер включения-выключения.

Все контроллеры TE Technology требуют минимального напряжения для работы встроенного микропроцессора. Минимальное напряжение может быть от 9 до 50 В постоянного тока, в зависимости от контроллера. Если термоэлектрическая нагрузка также может приводиться в действие этим входным напряжением, тогда для приложения необходим только один источник питания.Все стандартные термоэлектрические охлаждающие узлы TE Technology спроектированы таким образом, что узел и контроллер могут работать от одного источника питания.

При работе от одного источника питания входное напряжение регулятора температуры будет определять выходное напряжение во время «ВКЛ» части сигнала, а Vaverage будет варьироваться от 0 В до В + в зависимости от отношения времени «ВКЛ» к « Время отключения. В формах волны, показанных выше, V + равно входному напряжению от источника питания, и во время цикла «ВКЛ» форма волны V + будет приложена к термоэлектрической нагрузке.Следовательно, при использовании одного источника питания вы должны выбрать входное напряжение, которое не превышает Vmax охлаждающего узла или термоэлектрического модуля (ов). Если вы делаете свою собственную систему охлаждения из термоэлектрических модулей, максимальное рабочее напряжение (входное напряжение контроллера) обычно составляет не более 75% от Vmax модуля. Конечно, если вы подключаете несколько модулей последовательно или в последовательно-параллельную комбинацию, Vmax модульной системы будет Vmax каждого модуля, умноженного на количество модулей, подключенных последовательно.В этом случае входное напряжение обычно составляет не более 75% от модульной системы.

Что произойдет, если вы захотите использовать термоэлектрический модуль при напряжении меньше, чем требуется для работы микропроцессора контроллера? В этом случае следует использовать регулятор температуры, который позволяет питать микропроцессор и термоэлектрическую нагрузку от двух независимых источников питания. В этой конфигурации микропроцессор может питаться от небольшого источника с более высоким напряжением, а термоэлектрическая нагрузка может питаться от источника, который, теоретически, составляет всего 0 В.Снова обращаясь к приведенным выше сигналам, это позволяет пользователю выбрать V +, который подходит для низковольтной термоэлектрической нагрузки, при этом обеспечивая микропроцессору достаточное напряжение для работы. Все регуляторы температуры TE Technology могут быть оснащены двумя источниками питания.

Контроллеры

PWM бывают двух основных типов, и разница между ними определяет, может ли контроллер автоматически реверсировать мощность для достижения как нагрева, так и охлаждения, или он должен быть настроен либо на охлаждение, либо только на нагрев.В базовом контроллере только охлаждение / только нагрев имеется один транзистор, последовательно соединенный с термоэлектрическим модулем и источником питания (рисунок 19.2). Этот транзистор действует как переключатель S, который либо закрывается, либо открывается для включения или выключения питания термоэлектрического модуля. Пользователь должен сообщить контроллеру, если подача большей мощности на термоэлектрический модуль приведет к тому, что датчик температуры станет теплее или холоднее. Если пользователь хочет изменить конфигурацию контроллера с охлаждения на нагрев, провода, идущие от контроллера к термоэлектрическому модулю, должны быть физически перевернуты, а контроллер необходимо перенастроить так, чтобы он знал, что применение большей мощности теперь имеет обратное влияют на температуру датчика.Преимущество этого типа управления состоит в том, что он проще и дешевле.

Рисунок 19.2

Вторая разновидность контроллера — это биполярный контроллер. Биполярный контроллер имеет 4 транзистора, действующих как переключатели, которые могут автоматически менять направление тока на термоэлектрический модуль. Эта схема известна как H-мост, потому что термоэлектрический модуль и транзисторы образуют на схеме букву «H».

В контроллере этого типа, когда все переключатели (обозначенные от S1 до S4) разомкнуты, ток через модуль не течет (Рисунок 19.3). Замыкающие переключатели S1 и S4 заставляют ток течь в одном направлении (рисунок 19.4). В качестве альтернативы замыкающие переключатели S2 и S3 (S1 и S4 теперь разомкнуты) позволяют реверсировать ток (рисунок 19.5). Этот тип схемы управления является более сложным и, следовательно, более дорогим, но это единственное практическое решение, когда приложение может потребовать как нагрева, так и охлаждения для поддержания желаемой температуры.


Рисунок 19.3


Рисунок 19.4


Рисунок 19.5

Вернуться к началу

20. Что нужно учитывать при использовании охладителя жидкости?

Стандартные охладители жидкости

TE Technology были разработаны для охлаждения воды и инертных газов. Этот тип теплообменника идеально подходит для низкой стоимости и высокой производительности. Он позволяет использовать большее количество проходов для потока, чем можно было бы получить в других теплообменниках, в которых используется одна змеевидная трубка, вдавленная в пластину.

При использовании этого типа обменника следует учитывать некоторые особенности.Любая жидкость, которую вы используете в охладителях, будет контактировать с анодированным алюминием, медью и эпоксидной смолой, которая используется для соединения медных трубок. Некоторые жидкости, добавки и ингибиторы коррозии разрушают эпоксидную смолу и разъедают металлические поверхности. Поэтому, если вы планируете использовать какие-либо другие жидкости и / или добавки, вам следует тщательно протестировать устройство в реальных рабочих условиях и температурах, прежде чем использовать его в своем продукте, чтобы убедиться, что он не будет поврежден. Следует отметить, что коррозия металлических поверхностей может нанести ущерб не только теплопередаче, но и другим компонентам системы.Например, охлаждение морской воды в морском аквариуме может привести к попаданию меди в воду. Это может повредить рыбу или даже убить ее, поэтому этот тип охладителя жидкости не рекомендуется для этого применения. В любом случае вам следует протестировать кулер, чтобы убедиться в его пригодности для применения.

Следует отметить, что стандартные охладители жидкости проходят испытания под давлением 410 кПа (60 фунтов на кв. Дюйм). Однако рекомендуется, чтобы рабочее давление не превышало 205 кПа (30 фунтов на кв. Дюйм). Это следует иметь в виду, если вы непреднамеренно охладите воду до температуры ниже точки замерзания, поскольку вода будет расширяться при замерзании, и это потенциально может привести к повреждению эпоксидных соединений или разрыву самой медной трубки.Вам также может потребоваться учитывать температуру при транспортировке и хранении. Если не опорожнить охладитель перед хранением или транспортировкой, это может привести к замерзанию и повреждению. Опять же, если вы используете добавку для понижения стандартной точки замерзания воды (или какой-либо другой жидкости), добавку следует проверить на совместимость.

Термоциклирование также потенциально может вызвать проблемы с теплообменником (а также с термоэлектрическими модулями, о чем говорится в отдельном FAQ). Алюминий, эпоксидная смола и медь имеют разные коэффициенты теплового расширения.Следовательно, быстрые изменения температуры могут вызвать напряжение термической усталости, которое может привести к утечкам.

TE Technology может заменить стандартный жидкостный теплообменник в охлаждающем узле жидкостным теплообменником, в котором жидкость будет контактировать только с одним материалом. Мы можем предложить теплообменники с цельной змеевидной трубкой из нержавеющей стали, запрессованной в алюминиевую пластину. Эти теплообменники можно прикрепить к некоторым из наших стандартных холодильных пластин, эффективно превратив их в чиллер для жидкости.Кроме того, в качестве индивидуального устройства медные трубки с эпоксидной связью в нашем стандартном теплообменнике жидкости могут быть заменены приваренными алюминиевыми торцевыми крышками и резьбовыми фитингами для входа и выхода жидкости. Этот метод устраняет проблемы совместимости с эпоксидной смолой и проблемы термоциклирования из соображений теплообменника. TE Technology также производит жидкостные теплообменники со складчатыми ребрами и жидкостные теплообменники, изготовленные из твердого блока материала, такого как нержавеющая сталь или медь. Если вас интересуют нестандартные устройства, обратитесь на завод.

Наконец, стандартная производительность чиллеров основана на предположении, что вода течет со скоростью 1,6 л / мин (25 галлонов в час). Производительность изменится, если будет использоваться другая жидкость и / или другой расход. Проконсультируйтесь с TE Technology, и мы сможем определить для вас производительность в различных условиях эксплуатации.

Вернуться к началу

21. Каков процесс производственных испытаний всех охлаждающих узлов в TE Technology?

TE Technology выполняет многочисленные испытания на уровне компонентов и систем, чтобы гарантировать качество и стабильность термоэлектрических систем охлаждения, которые мы производим.Каждый шаг — это звено в цепочке обеспечения качества, которая была разработана на основе многолетнего опыта создания десятков тысяч охлаждающих устройств.

Процесс начинается с тестирования 100% термоэлектрических (ТЭ) модулей на их термоэлектрические свойства. Каждый модуль тестируется на нашей собственной термоэлектрической испытательной системе. Эта система измеряет свойства термоэлектрического материала: удельное электрическое сопротивление, теплопроводность, коэффициент Зеебека и добротность. Эти измерения гарантируют, что полупроводники, используемые в модулях, обеспечивают постоянные тепловые и электрические свойства при использовании в охлаждающем узле.Система также проверяет сопротивление переменного тока всего модуля. Эта проверка важна, поскольку она подтверждает, что паяные соединения в модуле не повреждены. Например, типичный модуль на 127 пар содержит 254 термоэлектрических элемента и 508 спаек. Если какой-либо из этих паяных переходов сломается, весь модуль будет бесполезен. Более того, если последовательно подключено более одного модуля, все модули, подключенные последовательно, также будут бесполезны. Важно помнить, что иметь «мертвый» модуль в системе намного хуже, чем если бы его вообще не было.Мало того, что мертвые модули не смогут обеспечить какое-либо полезное охлаждение, они также обеспечат путь утечки тепла с горячей стороны охлаждающего узла обратно на холодную сторону.

Затем компоненты охлаждающего узла проверяются, чтобы убедиться, что они обладают физическими характеристиками, необходимыми для эффективного отвода тепла от радиатора через модуль ТЕ, а затем в радиатор. Для этого проверяются физические параметры теплообменников и ТЕ-модулей.Поверхности теплообменников измеряются на предмет плоскостности и чистоты поверхности в областях, которые контактируют с ТЕ-модулями. Если в охлаждающем узле будет использоваться более одного модуля, высота модулей согласуется, поэтому разница в высоте между ними не превышает 0,025 мм. Модули также проверяются, чтобы убедиться, что керамические подложки являются плоскими и параллельными в соответствии со спецификацией.

Пока что в процессе, компоненты были проверены, чтобы убедиться, что все компоненты имеют достаточное качество для использования в сборке.Однако одно это еще не гарантирует, что в результате будет получен хороший охлаждающий узел. Есть еще много проблем, которые могут возникнуть в процессе сборки. Три основные проблемы и их тестовые решения заключаются в следующем:

1) Один или несколько модулей TE случайно перевернуты в охладитель: модули TE неизменно имеют провода, подключенные к горячей стороне модуля. Без питания модуля это единственный способ отличить горячую сторону от холодной стороны модуля.Когда модули подключаются к жгуту, можно непреднамеренно перевернуть модуль, чтобы он нагрелся, а не охладился. Это становится легче сделать, если модуль залит эпоксидной смолой, а модуль лишь немного толще, чем его подводящие провода. Поэтому в процессе сборки модули размещаются на радиаторе и на короткое время запитываются малым током. Затем сборщик проверяет правильность ориентации охлаждающих сторон модулей, касаясь каждого модуля и убедившись, что он работает в режиме охлаждения, а не в режиме нагрева.

2) Короткое замыкание провода ТЕ-модуля на теплоотвод или холодный сток: если лишний шарик припоя или жила провода контактирует с теплоотводом или холодным стоком, напряжение, подаваемое на термоэлектрики, может быть замкнуто на металлические поверхности охладитель, таким образом, создает потенциально опасные условия для любого, кто прикасается к устройству, когда оно находится под напряжением. TE Technology проверяет отсутствие коротких замыканий, измеряя высокое потенциальное сопротивление между проводкой модуля и открытыми металлическими поверхностями.

3) Неадекватные термоинтерфейсы: рассмотрим типичную систему охлаждения, в которой холодный радиатор, модули ТЕ и радиатор скреплены вместе винтами. Винты затянуты до определенного уровня, который, в свою очередь, преобразуется в определенное сжимающее усилие на модуль, обеспечивая тесный тепловой контакт между модулями TE и поверхностями радиатора и пластин холодного отвода. Однако, если есть заусенец в любом из резьбовых отверстий, если на винте есть деформированная резьба, если винт слишком длинный или резьбовое отверстие слишком короткое, крутящий момент не преобразуется в надлежащую силу сжатия.Если под термопастой будет видна грязь или прядь волос, термоинтерфейс будет испорчен. Визуальный осмотр этой проблемы практически невозможен; тем более, что обычно по периметру модулей окружает пароизоляционная прокладка. TE Technology разработала уникальный тест качества теплового перехода для решения этой проблемы. С помощью вышеупомянутого термоэлектрического испытательного оборудования к термоэлектрическим модулям подается небольшой ток и создается разница температур между радиатором и холодным стоком.Затем ток отключают, и разность температур уменьшается. Модули TE действуют как малые генераторы энергии во время спада, поэтому, отслеживая соответствующую скорость спада напряжения, можно измерить качество термоинтерфейсов внутри сборки. Также проверяется сопротивление охладителя переменному току, чтобы убедиться, что паяные соединения в модулях не были повреждены в процессе сборки.

Эти тесты занимают всего несколько минут и проводятся на 100% сборок, произведенных TE Technology.Поскольку тест термоинтерфейса проходит так быстро, он стоит намного меньше, чем полный тест производительности, который является единственным способом проверить тепловые переходы в сборке.

Таким образом, для каждой сборки выполняются следующие тесты:

· Термоэлектрические свойства проверены для каждого модуля.

· Сопротивление переменного тока проверяется на каждом модуле, чтобы убедиться, что паяные соединения внутри модуля не повреждены.

· Физические размеры и отделка всех компонентов проверены.

· Модули проверяются на правильность полярности / ориентации проводки во время сборки.

· Высокопотенциальное сопротивление между проводкой модуля и открытыми металлическими поверхностями проверяется на отсутствие коротких замыканий.

· Термические интерфейсы проверены, поэтому надлежащая теплопередача гарантирована.

· Сопротивление переменного тока каждой завершенной сборки проверяется, чтобы убедиться, что паяные соединения в модулях не были повреждены во время сборки.

Таким образом, следуя этой цепочке шагов, TE Technology может обеспечить стабильную производительность для каждого охлаждающего узла, который мы производим. Чтобы узнать больше об этих методах испытаний, просмотрите технические документы в разделе загружаемых публикаций в разделе загружаемых публикаций.

Вернуться к началу

22. Как работает система номеров деталей модуля TE Technology?

Номера компонентов модуля

TE Technology состоят из трех различных компонентов — кода категории, конфигурации элемента и суффикса заливки.

Существует пять различных двухбуквенных кодов категорий. Ниже приводится список различных категорий модулей:

TE = стандартный, микро- и многоступенчатый

л.с. = высокая производительность

CH = центральное отверстие

VT = высокая температура

SP = последовательный / параллельный

За категорией модуля следует конфигурация элемента. Конфигурация элемента состоит из разных чисел, разделенных дефисом. Конфигурация может содержать до шести разных номеров в зависимости от категории модуля.

Обычно первое число указывает количество пар на ступень (см. Исключение ниже), за которым следует ширина элемента (в мм) и высота элемента (в мм). Например, CH-19-1.0-1.3 представляет собой модуль с центральным отверстием, который имеет 19 пар с элементами шириной 1,0 мм и высотой 1,3 мм. В этом примере высота элемента 1,3 мм НЕ включает толщину медной токопроводящей шины, припаянной с каждой стороны элемента. Размеры 1,0 мм и 1,3 мм относятся к самому полупроводниковому элементу.

Чтобы терминология была понятной, помните, что «элемент» — это один из полупроводниковых блоков внутри термоэлектрического модуля. Внутри модуля элементы всегда используются парами — один элемент N-типа и один элемент P-типа. Затем формируется «пара» из одного элемента N-типа и одного элемента P-типа, соединенных последовательно (электрически). Таким образом, для каждой пары в модуле будет два элемента. Иногда для обеспечения физической прочности, когда провода входят в модуль, в углу модуля добавляется избыточный элемент N-типа или P-типа, но они не учитываются для увеличения количества пар.

Кроме того, для некоторых высокопроизводительных или высокотемпературных модулей в конфигурацию элемента может быть добавлен четвертый номер, например HP-127-1.4-1.5-72. Это последнее число указывает DTmax материала, если он больше, чем тот, который используется для стандартных модулей. Следовательно, DTmax в этом случае составляет 72 ° C.

Исключение : конфигурация элементов для многоступенчатых модулей немного отличается. Здесь первое число — это количество этапов, за которым следует количество пар на этап.В скобках указано количество пар на этапе. Последняя цифра — это высота элемента. Например, ТЭ-2- (127-127) -1,15 — это двухступенчатый модуль, состоящий из двух 127 парных ступеней с высотой элементов 1,15 мм.

Последним компонентом номера детали модуля является суффикс заливки. Модуль может либо не иметь суффикса, который указывает на то, что этот модуль не заполнен (TE-63-1.4-1.15), либо он может иметь заглавную букву «P» (TE-63-1.4-1.15P), которая означает, что этот модуль залит. .Это означает, что модуль имеет герметизирующий состав (Moisture Protection Ruggedizing), нанесенный по периметру модуля.

Вернуться к началу

23. Как лучше всего прикрепить датчик температуры при измерении температуры или при использовании регулятора температуры?

Правильно прикрепить датчик температуры к какой-либо детали сложнее, чем кажется. Ознакомьтесь с нашим техническим руководством: приложение датчика [документ Adobe PDF].

Вернуться к началу

Термины и определения

Температура окружающей среды: Температура воздуха или окружающей среды, окружающей термоэлектрическую систему охлаждения; иногда называется комнатной температурой.
Активная тепловая нагрузка: Количество тепла, выделяемого чем-либо, независимо от того, существует ли разница температур. Например, это может быть отходящее тепло от включенного электронного устройства.Обычно это входная мощность устройства (напряжение * ток) за вычетом выходной мощности. Другой пример — тепло, выделяемое экзотермической химической реакцией. См. Также «Пассивная тепловая нагрузка».
Сопротивление переменному току (ACR): Электрическое сопротивление термоэлектрического модуля. «Переменный ток» относится к переменному току и служит напоминанием о том, что измерение с помощью обычного омметра (который использует сигнал постоянного тока) приведет к ошибочным результатам. Фактически, даже омметр переменного тока также может давать ошибочные результаты (хотя и не такие серьезные по сравнению с типичными омметрами).Поэтому TE Technology использует специально разработанное испытательное оборудование для точного измерения этого параметра.
BTU (британская тепловая единица): Количество тепла, необходимое для подъема одного фунта воды на один градус по Фаренгейту при стандартной температуре 39,2 ° F и давлении в одну атмосферу. 1 британская тепловая единица = 1055 Дж.
CFM (кубических футов в минуту): Объемный расход газа, обычно воздуха, выраженный в английской системе единиц.Обычно это относится к количеству воздуха, проходящего через ребра радиатора с принудительной конвекцией.
COP (коэффициент полезного действия): COP — это отношение отведенного (или добавленного в случае нагрева) тепла к входной мощности.
DTmax: Максимально достижимая разница температур между холодной и горячей сторонами термоэлектрических элементов внутри модуля при приложении Imax и отсутствии тепловой нагрузки на модуль.Этот параметр основан на том, что температура горячей стороны элементов в модуле составляет 300 К. В действительности, практически невозможно удалить все источники тепла для достижения истинного DTmax. Таким образом, число служит только стандартизированным показателем охлаждающей способности термоэлектрического модуля.
Удельное электрическое сопротивление: Удельное электрическое сопротивление относится к величине тока, который объект будет пропускать через свой объем, вызванного разностью напряжений в этом объеме.Типичная единица измерения — Ом * м. Удельное электрическое сопротивление — это внутреннее свойство материала. При умножении на длину объекта и делении на площадь поперечного сечения объекта получается электрическое сопротивление объекта.
Тепловой насос: Количество тепла, которое термоэлектрическое устройство способно отводить или «откачивать» при заданном наборе рабочих параметров.
Радиатор / холодный радиатор: Радиатор — это устройство, которое крепится к горячей стороне термоэлектрического модуля.Он используется для облегчения передачи тепла от горячей стороны модуля к окружающей среде. К холодному модулю прилагается холодная мойка. Он используется для облегчения передачи тепла от охлаждаемого объекта (жидкости, газа, твердого тела) к холодной стороне модуля. Самый распространенный радиатор (или холодный радиатор) — это алюминиевая пластина, к которой прикреплены ребра. Вентилятор используется для перемещения окружающего воздуха через радиатор, чтобы забирать тепло от модуля. В другом стиле используется пластина со встроенной в нее трубкой.По трубке проходит жидкость, которая забирает тепло от модуля.
Imax: Ток, который создает DTmax, когда горячая сторона элементов внутри термоэлектрического модуля удерживается на уровне 300 К.
Характеристики материалов: Спецификации материалов в контексте термоэлектриков — это тепловые и электрические свойства полупроводников, которые помогают определить, как полупроводник будет вести себя.Они обычно включают такие параметры, как коэффициент Зеебека, удельное электрическое сопротивление и теплопроводность, если они указаны для полупроводникового материала N-типа или P-типа. После сборки термоэлектрического модуля (Пельтье) свойства материала модуля могут быть протестированы в целом. Если указано для термоэлектрического модуля, могут быть измерены средние свойства всех элементов в модуле (с использованием метода испытаний с низким энергопотреблением). и используется для проецирования таких параметров, как DTmax, Imax, Vmax и Qmax.Тестирование модуля с помощью теплового теста на полной мощности было бы непрактичным, поскольку это потребовало бы помещения термоэлектрического модуля в охлаждающий узел и проверки тепловых характеристик этого узла (отнимает много времени, дорого). Спецификации материалов для модуля не полностью определяют, как сам модуль будет вести себя в сборке, поскольку эти свойства материала позволяют прогнозировать тепловые характеристики полупроводниковых элементов без учета (1) паразитных потерь из-за уплотнения по периметру (заливки) и ( 2) температура на подложках повышается и понижается.По этой причине прогнозируемые кривые охлаждения будут показывать несколько более низкие значения для максимальных V, I, Q и DT.
Пассивная тепловая нагрузка: Тепло, передаваемое за счет разницы температур. Например, это тепло, которое проникает через изолированные стенки шкафа, когда в шкафу холоднее, чем температура окружающей среды. Другой пример — тепло от солнечного излучения.
Эффект Пельтье: Явление, при котором прохождение электрического тока через соединение, состоящее из двух разнородных металлов, приводит к охлаждающему эффекту.Когда направление тока меняется на противоположное, происходит нагрев.
Qmax: Количество тепла, которое элементы ТЕ могут отвести, когда разница температур между элементами в модуле равна нулю, температура горячей стороны элементов составляет 300 K, и модуль питается током Imax. .
Коэффициент Зеебека: Коэффициент Зеебека — это мера потенциала электрического напряжения, который существует в электрическом проводнике, концы которого поддерживаются при двух разных температурах, а ток не течет.Это внутреннее свойство, и его единицы измерения равны В / К. Термопары, используемые для измерения температуры, используют этот принцип.
Удельная теплоемкость: Количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры определенного вещества на один температурный градус. Типичные единицы — Дж / кг / К.
Коэффициент теплового расширения: Мера изменения размеров материала из-за изменения его температуры.Общие единицы измерения включают сантиметр на сантиметр на градус Цельсия и дюйм на дюйм на градус Фаренгейта.
Теплопроводность: Теплопроводность — это количество тепла, которое объект будет передавать через свой объем, когда в этом объеме возникает разница температур. Это внутреннее свойство, и типичные единицы измерения включают Вт / м / К и БТЕ / ч / фут / ° F. При умножении на площадь поперечного сечения объекта и делении на длину объекта получается теплопроводность объекта.
Тепловой интерфейс: Физический интерфейс между двумя объектами, через который передается тепло. В случае термоэлектриков это относится к физическому соединению модуля с радиатором / радиатором. Обычно между модулем и радиатором используется термопаста. Иногда может быть припой. В других случаях это может быть теплопроводящая прокладка.
Термическое сопротивление: Мера, относящаяся к повышению температуры на единицу приложенного тепла.Все среды, через которые проходит тепло, имеют соответствующее тепловое сопротивление. Общие термические сопротивления — это сопротивление теплоотвода и сопротивление термоинтерфейса. Термоэлектрические охладители лучше работают с радиаторами, имеющими низкое тепловое сопротивление.
Термоэлектрический модуль: Электронный компонент на основе полупроводников, который работает как небольшой тепловой насос. При подаче низковольтного источника питания постоянного тока на ТЕ-модуль тепло будет перемещаться через модуль от одной стороны к другой.Таким образом, одна сторона будет охлаждена, а противоположная — нагрета. Следовательно, ТЕ-модуль можно использовать как для нагрева, так и для охлаждения.
Коэффициент Томсона: Если концы электрического проводника удерживаются при двух разных температурах, создается потенциал напряжения, потому что электроны на горячем конце проводника будут дрейфовать к холодному концу проводника. Когда применяется внешний ток, так что электрические носители текут от холодного конца к горячему, электрические носители должны поглощать тепло, чтобы поддерживать равновесие с температурой.Если внешний ток применялся от горячего к холодному, носители выделяли бы тепло для поддержания температурного равновесия. Коэффициент Томсона — это мера напряжения на разность температур, а при приложении внешнего тока — это мера тепла, выделяемого или поглощаемого на единицу разницы температур на единицу тока. Обычно эффект Томсона присущ материалу. Однако эффект Томсона также может быть применен к проводнику извне, изменяя свойства материала по длине проводника.Это действительно может улучшить характеристики охлаждения по сравнению с обычным изотропным материалом. Эффект Томсона действительно более сложен, чем описанный выше. Трудно описать словами то, что точно описывает математика.
Vмакс .: Напряжение, которое создается при DTmax при приложении Imax, и температура горячей стороны элементов внутри термоэлектрического модуля составляет 300 К.
Диплом (Z) Z — это прямая мера охлаждающей способности термоэлектрического модуля.2 / R / K, где S — коэффициент Зеебека, R — удельное электрическое сопротивление, а K — теплопроводность термоэлектрического материала. Однако Z зависит от температуры, поэтому при сравнении одного модуля с другим они должны основываться на одинаковых температурах горячей стороны.

Вернуться к началу

Техническая информация по узлам охлаждения

Инструкции ниже находятся в документах Adobe PDF. На большинстве компьютеров уже установлен Acrobat Reader.Если у вас нет, вы можете получить бесплатную программу Adobe Acrobat Reader здесь. (ссылка откроется в новом окне)

1. Щелкните здесь, чтобы просмотреть простой график, изображающий монтаж охлаждающего узла с использованием монтажных отверстий (более подробная информация по монтажу и размеры вырезов доступны в Руководстве по эксплуатации термоэлектрического охлаждающего узла, ссылка ниже).

2. Щелкните здесь, чтобы просмотреть инструкции по монтажу охлаждающего узла с использованием резьбовых втулок.

3. Щелкните здесь, чтобы просмотреть инструкции по установке термостата для защиты от перегрева (с использованием резьбовых втулок).

4. Щелкните здесь, чтобы просмотреть инструкцию по эксплуатации термоэлектрического охлаждающего узла (TCA).

Вернуться к началу

Техническая информация о модулях TE

Приведенные ниже процедуры находятся в документах Adobe PDF. На большинстве компьютеров уже установлен Acrobat Reader. Если у вас нет, вы можете получить бесплатную программу Adobe Acrobat Reader здесь. (ссылка откроется в новом окне)

1. Щелкните здесь, чтобы просмотреть процедуру монтажа стандартных и металлизированных модулей (инструкции по использованию термопасты и / или паяльных модулей).

2. Щелкните здесь, чтобы получить информацию о заливке (герметизации модуля) для защиты от влаги и повышения прочности.

Вернуться к началу

Технические документы и документация компании

Мы стремимся оставаться в авангарде термоэлектрических технологий и разработок в глобальном масштабе. При этом наш инженерно-технический персонал опубликовал широкий спектр технических документов по таким темам, как проектирование и проектирование, надежность и испытания материалов и устройств. Мы приглашаем вас изучить этот раздел и познакомиться с термоэлектрическим полем.

Информация для заказа [Adobe PDF]

Полный список наших загружаемых публикаций и корпоративной литературы можно просмотреть, выбрав пункт меню «Загрузки» или щелкнув здесь.

Вернуться к началу

Выбор термоэлектрических модулей | Ferrotec-nord.Com

В большинстве случаев охладители Пельтье используются для охлаждения объекта до требуемой температуры и поддержания этой температуры на желаемом уровне. Другими словами, предполагается, что термоэлектрические модули обеспечивают определенную разницу между температурой окружающей среды и температурой охлаждаемого объекта за счет отвода тепла от объекта к радиатору.

Разность температур Δ T определяется как разница между температурой горячей стороны термоэлектрического модуля, используемой для отвода тепла от модуля, и температурой холодной поверхности модуля, которая обеспечивает охлаждение объекта до заданной температуры.

При выборе модуля следует помнить, что полная тепловая нагрузка Q c включает в себя мощность, необходимую для охлаждения объекта, и другие виды дополнительных притоков тепла из окружающей среды за счет конвекции, теплоотдачи и теплопроводности элементов, установленных в Устройство.

Термоэлектрические модули могут работать в двух предельных режимах:

  • Q max режим максимальной холодопроизводительности (тепловой насос) при ΔT = 0;
  • ΔT max максимальный режим охлаждения объекта, при Q c = 0.

Однако на практике применяется только комбинированный режим работы.

ΔT max и Q cmax являются основными тепловыми характеристиками модуля.

1. Анализ кривой нагрузки модуля может помочь выбрать подходящий модуль Пельтье и оптимизировать его режим работы.

Исходные данные для выбора термоэлектрического охладителя:

  • холодопроизводительность, обеспечиваемая модулем, Q c , Вт;
  • разница температур между горячей и холодной сторонами модуля T горячая — T холодная = ΔT, ° C.

Максимальная холодопроизводительность модуля, необходимая для обеспечения заданной разницы температур, определяется следующей температурой:

где:

Q max — максимальная холодопроизводительность модуля;

ΔT max — максимальная разница температур модуля (72 ° C для одноступенчатых модулей).

Используя таблицы характеристик термоэлектрических модулей, выберите модуль Пельтье с максимальной холодопроизводительностью, равной или превышающей расчетную максимальную холодопроизводительность, с учетом требуемых размеров, напряжения и тока питания.

Нажмите кнопку загрузки, соответствующую выбранному типу модуля, чтобы отобразились его характеристики.

Используя кривые Q c в зависимости от разницы температур T горячий — T холодный , определите рабочий ток модуля.Определить напряжение питания выбранного модуля по величине рабочего тока I и требуемой разности температур ΔT.

Пример:

Необходимо обеспечить перепад температур ΔT = 30 ° C при охлаждающей способности модуля Q c = 45 Вт и температуре горячей стороны модуля T hot = 25 ° C. Определите максимальную холодопроизводительность подходящего модуля:

Если необходимая разница температур до 67 ° C, выбирается одноступенчатый модуль.

Из таблицы одноступенчатых модулей выбрать модуль ТМ-127-2.0-12.0 с близким значением Q cmax .

Щелкните «Загрузить», чтобы отобразить характеристики модуля.

% PDF-1.3 % 567 0 объект > эндобдж xref 567 100 0000000016 00000 н. 0000002370 00000 н. 0000002559 00000 н. 0000002712 00000 н. 0000002852 00000 н. 0000003826 00000 н. 0000004391 00000 п. 0000004422 00000 н. 0000004585 00000 н. 0000004994 00000 н. 0000005025 00000 н. 0000005185 00000 н. 0000005836 00000 н. 0000005867 00000 н. 0000006229 00000 п. 0000006397 00000 н. 0000006420 00000 н. 0000007958 00000 н. 0000007989 00000 п. 0000008020 00000 н. 0000008357 00000 н. 0000008509 00000 н. 0000008676 00000 н. 0000009166 00000 н. 0000009189 00000 н. 0000010537 00000 п. 0000011135 00000 п. 0000011166 00000 п. 0000011325 00000 п. 0000011348 00000 п. 0000012616 00000 п. 0000012639 00000 п. 0000014189 00000 п. 0000014220 00000 п. 0000014642 00000 п. 0000014803 00000 п. 0000014826 00000 п. 0000016397 00000 п. 0000016420 00000 п. 0000017957 00000 п. 0000018329 00000 п. 0000018489 00000 п. 0000018520 00000 п. 0000018543 00000 п. 0000020300 00000 п. 0000020323 00000 п. 0000021733 00000 п. 0000023177 00000 п. 0000023256 00000 п. 0000023279 00000 п. 0000023302 00000 п. 0000023546 00000 п. 0000023820 00000 п. 0000023842 00000 п. 0000027349 00000 н. 0000028202 00000 п. 0000028441 00000 п. 0000028804 00000 п. 0000032303 00000 п. 0000032382 00000 п. 0000032405 00000 п. 0000032427 00000 н. 0000032506 00000 п. 0000032528 00000 п. 0000032761 00000 п. 0000032840 00000 п. 0000032863 00000 п. 0000037856 00000 п. 0000037935 00000 п. 0000038172 00000 п. 0000038610 00000 п. 0000040641 00000 п. 0000040663 00000 п. 0000040742 00000 п. 0000040765 00000 п. 0000040787 00000 п. 0000041060 00000 п. 0000041082 00000 п. 0000041315 00000 п. 0000041395 00000 п. 0000041418 00000 п. 0000043358 00000 п. 0000044149 00000 п. 0000052829 00000 п. 0000053054 00000 п. 0000053077 00000 п. 0000053643 00000 п. 0000053665 00000 п. 0000053905 00000 п. 0000053926 00000 п. 0000053949 00000 п. 0000058309 00000 п. 0000058542 00000 п. 0000058621 00000 п. 0000058729 00000 п. 0000058963 00000 п. 0000058985 00000 п. 0000059068 00000 н. 0000002893 00000 н. 0000003804 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 568 0 объект > / StructTreeRoot 570 0 R / MarkInfo> / Имена 571 0 руб. >> эндобдж 569 0 объект rfεtV]! f9) / U (~ g ~ d ֧ O \ r [) / П-44 / V 1 / Длина 40 >> эндобдж 570 0 объект > эндобдж 571 0 объект > эндобдж 665 0 объект > транслировать // ^ pFR Z * ‘bvR # 2G1́R (

, ױ: | sEb # us

: Глава 11: Проблемы с использованием термоэлектрических элементов :: Настройка и ускорение аппаратного обеспечения ПК :: Разное :: Электронные учебные пособия.org

Модули Пельтье

Охладители Пельтье — это термоэлектрические холодильники, основанные на эффекте Пельтье — явлении, названном в честь французского часовщика и физика-любителя Жана К. А. Пельтье (1785–1845).

Пельтье сделал свое открытие почти 170 лет назад, в 1834 году. Идея этого явления была раскрыта несколькими годами позже, в 1838 году, немецким физиком Генрихом Ф. Э. Ленцем (1804–1865). Экспериментируя с электрическим током, протекающим через соединение двух разнородных проводников, Ленц поместил каплю воды в небольшую полость на стыке двух стержней из висмута (Bi) и сурьмы (Sb).Когда электрический ток течет в одном направлении, капля воды замерзает. Когда ток течет в обратном направлении, замерзшая вода тает. Этот эксперимент показал, что когда электрический ток протекает через соединение двух разнородных проводников, это соединение либо поглощает, либо выделяет тепло, в зависимости от направления потока тока. Это явление получило название эффекта Пельтье.

Этот эффект противоположен открытию, сделанному в 1821 году немецким физиком Томасом Дж.Зеебек (1770–1831). Это явление имеет место в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных металлов или полупроводников. Если есть разница температур в двух точках соединения разнородных металлов или полупроводников, в цепи индуцируется напряжение.

Согласно хорошо известному закону Джоуля, проводник, по которому проходит ток, выделяет тепло, пропорциональное произведению сопротивления ( R ) проводника на квадрат тока ( I ). Таким образом, джоулева теплота, выделяющаяся в течение определенного периода времени ( t ), рассчитывается по следующей формуле:

(Формула 11.1)

В отличие от тепла Джоуля, тепло Пельтье пропорционально току, и направление теплопередачи меняется на противоположное, если ток меняется на противоположное. Эксперименты показали, что теплоту Пельтье можно выразить следующей формулой:

(Формула 11.2)

Здесь q — электрический заряд ( q = I × t ), а P — так называемый фактор Пельтье, значение которого зависит как от свойств разнородных материалов, по которым проходит ток. и от их температуры.

Тепло Пельтье положительное, если оно выделяется; в противном случае — отрицательный.

В эксперименте, проведенном, как показано на рис. 11.1, в каждом калориметре будет выделяться одинаковое количество джоулева тепла, если оба провода имеют одинаковое сопротивление (Cu + Bi). Это количество тепла можно рассчитать по следующей формуле:

(Формула 11.3)

Рисунок 11.1: Устройство для измерения теплоты Пельтье (Cu — медь, Bi — висмут)

Теплота Пельтье, с другой стороны, будет положительной в одном калориметре и отрицательной в другом.В этом эксперименте измерялось тепло Пельтье и определялись значения коэффициента Пельтье для различных пар проводников.

Обратите внимание, что фактор Пельтье сильно зависит от температуры. Несколько значений фактора Пельтье для различных комбинаций металлов и сплавов при различных абсолютных температурах (шкала Кельвина или ° K) представлены в таблице 11.1.

Таблица 11.1: Коэффициенты Пельтье для пар проводников

Fe — константан

Cu-Ni

Pb — константан

Т ( ° К)

P (мВ)

T (° К)

P (мВ)

T (° К)

P (мВ)

273

13.0

292

8,0

293

8,7

299

15,0

328

9,0

383

11,8

403

19.0

478

10,3

508

16,0

513

26,0

563

8,6

578

18,7

593

34.0

613

8,0

633

20,6

833

52,0

718

10,0

713

23,4

Фактор Пельтье, важная техническая характеристика материалов, может быть рассчитан с использованием коэффициента Томсона, а не измеряться следующим образом:

(Формула 11.4)

Здесь P — коэффициент Пельтье, α — коэффициент Томсона и T — абсолютная температура.

Это открытие оказало огромное влияние на последующее развитие физики, а затем и техники.

Идея эффекта такова: когда электрический ток течет через соединение двух разнородных материалов, помимо джоулева тепла (которое всегда производится), дополнительное тепло, известное как тепло Пельтье, либо производится, либо поглощается, в зависимости от направления тока. или температурного градиента.Степень проявления этого эффекта во многом зависит от выбранных проводников и используемых электрических режимов.

Классическая теория объясняет эффект Пельтье. Электроны, перемещаемые током от одного проводника к другому, ускоряются или замедляются из-за внутренней разности потенциалов в точке соединения. В первом сценарии кинетическая энергия электронов увеличивается и впоследствии выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта потеря энергии компенсируется поглощением тепла.Второй материал в результате остынет.

Эффект Пельтье, как и другие термоэлектрические явления, наиболее сильно проявляется в полупроводниковых цепях, состоящих из полупроводников n- и p-типа.

Рассмотрим термоэлектрические процессы, происходящие на контакте таких полупроводников. Предположим, что направление электрического поля заставляет электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике двигаться навстречу друг другу. Пройдя границу, электрон попадает в зону p-полупроводника и занимает место дырки.Эта рекомбинация выделяет тепло (рис. 11.2).


Рисунок 11.2: Выделение тепла Пельтье на контакте полупроводников n- и p-типа

Если направление электрического поля поменять местами, электроны и дырки будут двигаться в противоположных направлениях. Число отверстий, движущихся от границы, будет увеличиваться, потому что при переходе электронов от p-полупроводника к n-полупроводнику будут образовываться новые пары. Генерация таких пар требует энергии, и эта потеря энергии компенсируется тепловыми колебаниями атомной решетки.Электроны и дырки, возникающие в результате появления пар, будут перемещаться в противоположных направлениях электрическими полями. Следовательно, новые пары будут появляться до тех пор, пока через контакт будет протекать ток. Это приведет к поглощению тепла (рис. 11.3).


Рисунок 11.3: Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников n- и p-типа

Таким образом, в зависимости от направления электрического тока через контакт различных типов полупроводников (pn- и np-переходы), тепло будет выделяться или поглощаться при взаимодействии электронов (n) и дырок (p) и при взаимодействии новых пар заряды рекомбинируются или генерируются.Использование p- и n-полупроводников в термоэлектрических холодильниках показано на рис. 11.4.


Рисунок 11.4: Использование p- и n-полупроводников в термоэлектрических холодильниках

Объединение большого количества n- и p-полупроводниковых переходов создает охлаждающие элементы — модули Пельтье значительной мощности. Структура полупроводникового модуля Пельтье показана на рис. 11.5.


Рисунок 11.5: Структура модуля Пельтье

Модуль Пельтье представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из связанных полупроводников p- и n-типа, которые образуют p-n- и n-p-переходы.Каждый переход имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. Если электрический ток определенной полярности проходит через переход, температура между радиаторами в модуле Пельтье упадет: один радиатор будет работать как холодильник, а другой будет генерировать и отводить тепло. Когда холодная сторона модуля Пельтье соединяется с поверхностью защищаемого объекта, этот модуль действует как тепловой насос. Этот тепловой насос перемещает тепло от этого объекта к горячей стороне модуля, которая охлаждается воздухом или водой.Как и любой тепловой насос, его можно описать термодинамическими формулами. Поэтому модули Пельтье можно назвать не только термоэлектрическими, но и термодинамическими модулями.

На рис. 11.6 показан внешний вид типичного модуля Пельтье.


Рисунок 11.6: Внешний вид типичного модуля Пельтье

В типичном модуле температура может отличаться на десятки градусов. Если горячая сторона охладится должным образом, другая сторона достигнет отрицательной температуры по Цельсию. Для увеличения разницы температур можно каскадировать должным образом охлаждаемые модули Пельтье.Этот метод обеспечивает простой, надежный и недорогой способ получения разницы температур, которая способствует эффективному охлаждению электронных компонентов.

На рис. 11.7 показан пример каскадных модулей Пельтье.


Рисунок 11.7: Каскадные модули Пельтье

Компонент охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активным охладителем Пельтье или просто охладителем Пельтье.

Модули

Пельтье делают кулеры более эффективными, чем стандартные кулеры, основанные на традиционной комбинации радиатора и вентилятора.В процессе разработки и эксплуатации кулеров, использующих модули Пельтье, необходимо помнить об определенных особенностях. Эти особенности являются результатом конструкции модулей, принципов их работы, архитектуры аппаратного обеспечения современного компьютера, а также функциональных возможностей системы и прикладного программного обеспечения.

Ключевую роль играет мощность модуля Пельтье, которая в основном зависит от его размеров. Слабый модуль не сможет гарантировать необходимый уровень охлаждения, что может привести к перегреву и выходу из строя охлаждаемого электронного элемента, например процессора.Однако использование слишком мощного модуля Пельтье может снизить температуру охлаждающего радиатора до такого уровня, что влага в воздухе конденсируется — опасная ситуация для электронных схем. Постоянно образующаяся в результате конденсации вода может вызвать короткое замыкание электронных схем компьютера. Пришло время вспомнить, что расстояние между подводящими проводами на современных печатных платах часто составляет лишь доли миллиметра.

Тем не менее, мощные модули Пельтье в высокопроизводительных кулерах и дополнительные системы охлаждения позволили KryoTech и AMD в рамках совместного исследовательского проекта разогнать процессоры AMD, созданные по традиционной технологии, за пределы 1 ГГц.Практически вдвое увеличили рабочую частоту. Однако заданный уровень производительности был достигнут в условиях, обеспечивающих стабильность и надежность работы процессоров в разогнанных режимах. Результатом такого экспериментального разгона стал рекорд производительности среди процессоров 80×86.

KryoTech известна не только своими экспериментами, связанными с экстремальным разгоном процессора. Широкую известность получила также ее установка для криогенной заморозки компьютерных компонентов. Они оснащены соответствующими электронными компонентами и используются в качестве платформ для многих высокопроизводительных серверов и рабочих станций.Между тем, AMD подтвердила высокий уровень своей продукции и получила экспериментальные материалы для дальнейшего улучшения архитектуры своих процессоров. Аналогичное исследование было проведено с процессорами Intel Celeron, Pentium II и Pentium III и позволило значительно повысить производительность.

Обратите внимание, что модули Пельтье в процессе работы выделяют относительно большое количество тепла. По этой причине у вас должен быть не только мощный вентилятор для кулера, но и средство для снижения температуры внутри корпуса компьютера, чтобы избежать перегрева остальных компонентов.Для этого в конструкции корпуса следует использовать дополнительные вентиляторы.

Внешний вид активного кулера, использующего полупроводниковые модули Пельтье, представлен на рис. 11.8.


Рисунок 11.8: Внешний вид охладителя с модулем Пельтье.

Примерами серийно выпускаемых модулей Пельтье являются изделия Osterm ( http://www.osterm.ru ). Они отличаются максимальным потребляемым током (Imax, в амперах), максимальным напряжением (Umax, в вольтах), мощностью охлаждения (Qcmax, ватт), максимальным перепадом температуры (dTmax, в кельвинах) между горячей и холодной сторонами. измеренные в вакууме без нагрузки, и их размеры.

В таблице 11.2 перечислены рабочие параметры некоторых модулей Пельтье, производимых серийно.

Таблица 11.2: Модули Пельтье от Osterm

Серийный номер

Imax (А)

Uмакс (В)

Qcmax (Вт)

dTmax (° K)

Д × Ш × В (мм)

К1-127-1 / 0.8

6,0

15,4

50,0

71

30 × 30 × 3,1

К1-241-1 / 0.8

6,0

29,2

95,0

71

40 × 40 × 3.1

К1-127-1 / 1.3

3,9

15,4

33,4

73

30 × 30 × 3,6

К1-241-1 / 1.3

3,9

29,2

63.4

73

40 × 40 × 3,6

К1-127-1 / 1.5

3,0

15,4

27,0

73

30 × 30 × 3,8

К1-241-1 / 1.5

3.0

29,2

51,2

73

40 × 40 × 3,8

К1-71-1.4 / 1.1

8,5

8,6

41,9

71

30 × 30 × 3,8

К1-127-1.4 / 1,1

8,5

15,4

75,0

71

40 × 40 × 3,8

К1-71-1,4 / 1,5

6,0

8,6

30,0

73

30 × 30 × 3.9

К1-127-1.4 / 1.5

6,0

15,4

53,0

73

40 × 40 × 3,9

К1-127-2 / 1.5

13,0

15,5

120.0

73

55 × 55 × 4,6

Имейте в виду, что системы охлаждения на основе модулей Пельтье используются не только в электронных системах, но и в компьютерах. Подобные модули используются для охлаждения различных высокоточных устройств. В первую очередь это относится к экспериментальным исследованиям в области физики, химии и биологии.

Примеры нескольких модулей Пельтье, выпущенных Osterm, показаны на рис.11.9–11.13.


Рисунок 11.9: Полупроводники p- и n-типа в модуле Пельтье
Рисунок 11.10: Крошечный модуль Пельтье
Рисунок 11.11: Фасонный модуль Пельтье
Рисунок 11.12: Модуль Пельтье со снятой керамической пластиной
Рисунок 11.13: Каскадный модуль Пельтье

Информацию о модулях в охладителях Пельтье, включая их характеристики и результаты использования, можно найти в Интернете по следующим веб-адресам:

  • http: // www.tomshardware.com

  • http://rudteam.narod.ru/english/index.html

  • http://www.kryotech.com

  • http://www.melcor.com

  • http://www.supercool.se

  • http: //www.computernerd.com

Особенности эксплуатации

Модули Пельтье

при использовании для охлаждения электронных элементов обладают относительно высокой надежностью. В отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, в них нет движущихся частей. Для повышения эффективности их работы эти модули можно соединять каскадом. Каскадирование позволяет защищенным электронным компонентам охлаждаться до температуры ниже 0 ° C (32 ° F) даже при значительном рассеивании мощности.

Помимо очевидных преимуществ, модули Пельтье обладают некоторыми специфическими свойствами, которые необходимо учитывать при их использовании в охлаждающем оборудовании.Некоторые из этих свойств были упомянуты, но для правильного использования модуля Пельтье вам необходимо более подробно изучить эти характеристики. Следующие рабочие характеристики являются одними из наиболее важных:

  • Модули Пельтье в процессе работы выделяют большое количество тепла. Для них требуются радиаторы и вентиляторы, способные эффективно отводить излишки тепла от охлаждающих модулей. Термоэлектрические модули отличаются относительно низким КПД; когда они действуют как тепловые насосы, они являются мощными источниками тепла.Использование этих модулей в охлаждающих устройствах, предназначенных для защиты электронных компонентов компьютера, резко увеличивает температуру внутри системного блока. Иногда для этого требуются дополнительные охлаждающие устройства в корпусе компьютера. Если не использовать дополнительное охлаждение, высокие температуры усложняют условия эксплуатации — даже для модулей. Обратите внимание, что использование модулей Пельтье создает относительно большую дополнительную нагрузку для источника питания. С учетом значений токов, требуемых модулями Пельтье, блок питания, установленный на компьютере, должен быть 250 Вт.Поэтому есть смысл выбрать материнскую плату формата ATX и корпус с мощным блоком питания. Это упростит задачу по организации оптимального температурного режима и электрических режимов для компонентов компьютера.

  • При выходе из строя модуля Пельтье охлаждаемый элемент изолируется от радиатора охладителя. Это приводит к быстрому нарушению стабильного температурного режима элемента с последующим выходом из строя самого элемента от перегрева.Поэтому стоит выбирать качественные модули известных брендов. Такие модули отличаются высокой надежностью. Их среднее время наработки на отказ (MTBF) часто превышает 1 миллион часов.

  • Низкие температуры, возникающие при работе охладителей Пельтье, могут быть слишком высокими и вызывать конденсацию влаги из воздуха. Это опасно для электрических компонентов; вода может закоротить элементы. Чтобы избежать такой опасности, выбирайте кулер Пельтье с оптимальной мощностью для ваших нужд.Конденсация зависит от нескольких параметров; наиболее важными из них являются температура окружающей среды (воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее и влажнее воздух внутри корпуса, тем больше вероятность образования конденсата и, следовательно, больше вероятность того, что электронные элементы компьютера выйдут из строя. В таблице 11.3 показано, как температура конденсации влаги зависит от количества влаги в воздухе и температуры воздуха.Используя эту таблицу, вы легко сможете определить, существует ли опасность образования конденсата. Например, если температура внутри корпуса составляет 25 ° C (77 ° F), а влажность составляет 65%, то конденсация влаги на охлаждаемом объекте произойдет, когда температура его поверхности упадет ниже 18 ° C (64 ° F). .

    Таблица 11.3: Температуры, при которых влага будет конденсироваться

    Температура (° C)

    Влажность (%)

    30

    35

    40

    45

    50

    55

    60

    65

    70

    75

    80

    85

    90

    95

    30

    10.5

    12,9

    14,9

    16,8

    18,4

    20,0

    21,4

    22,7

    23,9

    25,1

    26,2

    27,2

    28.2

    29,1

    29

    9,7

    12,0

    14,0

    15,9

    17,5

    19,0

    20,4

    21,7

    23.0

    24,1

    25,2

    26,2

    27,2

    28,1

    28

    8,8

    11,1

    13,1

    15,0

    16.6

    18,1

    19,5

    20,8

    22,0

    23,2

    24,2

    25,2

    26,2

    27,1

    27

    8.0

    10,2

    12,2

    14,1

    15,7

    17,2

    18,6

    19,9

    21,1

    22,2

    23,3

    24,3

    25.2

    26,1

    26

    7,1

    9,4

    11,4

    13,2

    14,8

    16,3

    17,6

    18,9

    20,1

    21.2

    22,3

    23,3

    24,2

    25,1

    25

    6,2

    8,5

    10,5

    12,2

    13,9

    15,3

    16.7

    18,0

    19,1

    20,3

    21,3

    22,3

    23,2

    24,1

    24

    5,4

    7,6

    9,6

    11.3

    12,9

    14,4

    15,8

    17,0

    18,2

    19,3

    20,3

    21,3

    22,3

    23,1

    23

    4.5

    6,7

    8,7

    10,4

    12,0

    13,5

    14,8

    16,1

    17,2

    18,3

    19,4

    20,3

    21.3

    22,2

    22

    3,6

    5,9

    7,8

    9,5

    11,1

    12,5

    13,9

    15,1

    16,3

    17.4

    18,4

    19,4

    20,3

    21,2

    21

    2,8

    5,0

    6,9

    8,6

    10,2

    11,6

    12.9

    14,2

    15,3

    16,4

    17,4

    18,4

    19,3

    20,2

    20

    1,9

    4,1

    6,0

    7.7

    9,3

    10,7

    12,0

    13,2

    14,4

    15,4

    16,4

    17,4

    18,3

    19,2

    19

    1.0

    3,2

    5,1

    6,8

    8,3

    9,8

    11,1

    12,3

    13,4

    14,5

    15,5

    16,4

    17.3

    18,2

    18

    0,2

    2,3

    4,2

    5,9

    7,4

    8,8

    10,1

    11,3

    12,5

    13.5

    14,5

    15,4

    16,3

    17,2

    17

    -0,6

    1,4

    3,3

    5,0

    6,5

    7,9

    9.2

    10,4

    11,5

    12,5

    13,5

    14,5

    15,3

    16,2

    16

    -1,4

    0,5

    2,4

    4.1

    5,6

    7,0

    8,2

    9,4

    10,5

    11,6

    12,6

    13,5

    14,4

    15,2

    15

    -2.2

    -0,3

    1,5

    3,2

    4,7

    6,1

    7,3

    8,5

    9,6

    10,6

    11,6

    12,5

    13.4

    14,2

    14

    -2,9

    -1,0

    0,6

    2,3

    3,7

    5,1

    6,4

    7,5

    8,6

    9.6

    10,6

    11,5

    12,4

    13,2

    13

    -3,7

    -1,9

    -0,1

    1,3

    2,8

    4,2

    5.5

    6,6

    7,7

    8,7

    9,6

    10,5

    11,4

    12,2

    12

    -4,5

    -2,6

    -1,0

    0.4

    1,9

    3,2

    4,5

    5,7

    6,7

    7,7

    8,7

    9,6

    10,4

    11,2

    11

    -5.2

    -3,4

    -1,8

    -0,4

    1,0

    2,3

    3,5

    4,7

    5,8

    6,7

    7,7

    8,6

    9.4

    10,2

    10

    -6,0

    -4,2

    -2,6

    -1,2

    0,1

    1,4

    2,6

    3,7

    4,8

    5.8

    6,7

    7,6

    8,4

    9,2

Помимо уже упомянутых функций, вы должны учитывать ситуации, в которых используются термоэлектрические модули Пельтье для охлаждения высокопроизводительных процессоров в мощных компьютерах.

Эффективность использования модуля Пельтье зависит от модели и режимов ее работы.Выбор неоптимальной модели и установка неправильных режимов работы может привести к опасным ситуациям, поскольку такой выбор не обеспечивает требуемых условий эксплуатации охлаждаемых компонентов. Они могут даже привести к выходу из строя защищаемых компонентов. Оптимальный выбор модуля Пельтье — нетривиальная задача.

На рис. 11.14 показан один из методов расчета, используемых для выбора модулей Пельтье. (Этот график опубликован с разрешения Osterm.) На графике показаны термоэлектрические характеристики модулей Пельтье, производимых партиями.Размеры следующие:

  • Th ( Th ) — Температура горячей стороны модуля Пельтье (в кельвинах)

  • Imax ( I ) — Максимально допустимый ток (в амперах)

  • dTmax ( dT ) — максимальная разница температур между горячей и холодной сторонами модуля Пельтье, измеренная в вакууме без нагрузки (в кельвинах)

  • Umax ( U ) — Максимально допустимое напряжение (в вольтах)

  • Qcmax ( Qc ) — Максимальная мощность охлаждения (в ваттах)

  • RdTm — Сопротивление модуля переменному току (в Ом)


Рисунок 11.14: Термоэлектрические характеристики модуля Пельтье

Значения этих параметров модуля Пельтье зависят от температуры его горячей стороны. Они отличаются от значений, указанных в документации, где все характеристики указаны для температуры 300 ° K (27 ° C).

Выполнение расчетов на основе этого графика подразумевает следующее:

  1. Используя график U (I) , для выбранного напряжения U определите ток I , протекающий через модуль Пельтье.Значение тока I должно соответствовать диапазону восходящей части кривой dT (I) .

  2. Для значения тока I выберите характеристику, используя кривые, определяющие зависимость dT от Qc (в нижней левой части графика).

  3. Используя известные значения Th, и dT, определяет температуру холодной стороны модуля Пельтье ( Tc ), рассчитанную по следующей формуле:

    (Формула 11.5)

Здесь Tc — температура холодной стороны модуля, Th — температура горячей стороны модуля, а dT — разница температур.

Из графиков функций, иллюстрирующих зависимость dT от Qc, , очевидно, что с увеличением тепловой мощности ( Qc ) охлаждаемого элемента происходит перепад температур между горячим ( Th ) и холодные ( Tc ) стороны модуля Пельтье уменьшается.(См. Формулу 11.5.) В то же время, чем выше ток, протекающий через модуль (определяемый напряжением U ), тем больше разница dT , при условии, что тепловая мощность Qc является фиксированной.

В следующем примере показан расчет, необходимый для выбора модуля Пельтье. Он основан на следующих начальных условиях: подаваемое напряжение 12 В; тепловая мощность охлаждаемого элемента составляет 20 Вт, 40 Вт и 60 Вт; а температура горячей стороны модуля Пельтье (равная температуре основания радиатора, установленного на модуле Пельтье) составляет 50 ° C.Расчет дает следующее:

  1. Для напряжения 12 В ток 5 А.

  2. При токе 5 А и тепловой мощности охлаждаемого элемента, равной 20 Вт, разница температур ( dT ) составляет примерно 45 ° K (45 ° C). При 40 Вт это 25 ° K (25 ° C), а при 60 Вт — 4 ° K (4 ° C).

  3. Зная значения разности температур ( dT ) и температуры горячей стороны модуля Пельтье, которая в этом примере составляет 323 ° K (50 ° C), можно рассчитать температуру Tc для каждое значение Qc .При тепловой мощности охлаждаемого элемента 20 Вт температура холодной стороны модуля Пельтье составляет 278 ° K (5 ° C). При 40 Вт это 298 ° K (25 ° C), а при 60 Вт — 319 ° K (46 ° C).

При использовании более мощного модуля Пельтье можно добиться большей разницы температур между горячей и холодной сторонами. Например, модуль с Qc на 131 Вт, I на 8,5 А и U на 28,8 В обеспечит разницу температур от 308 ° K (35 ° C) до 313 ° K (40 ° C). ° C) для объектов с тепловой мощностью 60 Вт.

При выборе подходящего модуля в зависимости от мощности охлаждения учитывайте тепловую мощность модуля. Например, при работе рассматриваемого модуля в выбранных режимах ( U = 12 и I = 5) эта мощность составляет 60 Вт. Также присутствует тепловая мощность охлаждаемого элемента. Тепловой поток, создаваемый этими источниками, является тяжелым бременем для системы охлаждения.

Правильно выбранные и надлежащим образом работающие модули Пельтье представляют собой эффективные охлаждающие устройства, которые обеспечивают температуру корпуса охлаждаемого элемента ниже температуры окружающей среды.

Охлаждающие устройства, обычно состоящие из радиатора и вентилятора, должны не только рассеивать довольно мощный тепловой поток, но и обеспечивать низкую температуру на горячей стороне модуля Пельтье. Модуль обеспечивает разницу температур между его горячей и холодной сторонами; следовательно, чем ниже температура поддерживается на его горячей стороне, тем ниже температура на его холодной стороне. (См. Формулу 11.5.)

Если традиционные охлаждающие устройства не могут обеспечить требуемые параметры, одним из возможных решений является система водяного охлаждения.Опять же, температура холодной стороны модуля Пельтье и, следовательно, температуры прилегающей поверхности охлаждаемого элемента, зависит как от разницы температур, так и от значения температуры на горячей стороне модуля Пельтье.

При выборе модуля Пельтье соответствующей мощности охлаждения необходимо следить за тем, чтобы задействованы все поверхности его холодной и горячей сторон. В противном случае части модуля, не соприкасающиеся с поверхностью защищаемого объекта (например, микросхема процессора), будут только тратить энергию и выделять тепло, снижая общую эффективность охлаждения (рис.11.



Пожалуйста, включите JavaScript, чтобы просматривать комментарии от Disqus.

Электроэнергетические характеристики многослойных металлооксидно-композитных термоэлектрических модулей и их применения в сборе энергии | Обзор бумаги | Метаморфоза журнала Murata’s Technical Magazine № 16

Энергетические характеристики многослойных термоэлектрических модулей из оксидно-металлического композитного материала и их применения в области сбора энергии

Шуичи Фунахаси, Таканори Накамура, Кейсуке Кагеяма
[ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ 109–124509 (2011)]

При выработке термоэлектрической энергии тепловая энергия может быть напрямую преобразована в электрическую с помощью физического явления, известного как эффект Зеебека * .Мы успешно разработали материалы с превосходными термоэлектрическими характеристиками, используя оксидные материалы, не содержащие редких элементов в качестве основного компонента, и это позволило нам разработать монолитный многослойный термоэлектрический модуль с использованием того же процесса изготовления, что и многослойные керамические конденсаторы.

Этот модуль генерировал выходную мощность 100 мкВт при разнице температур 10 ° C и мог работать с датчиком температуры и беспроводным модулем. Ожидается, что эта технология для выработки энергии при небольших перепадах температур будет использоваться в качестве технологии сбора энергии для работающих устройств за счет выработки электричества из окружающего тепла для применения в сенсорных сетевых устройствах, чтобы они могли работать полупостоянно без проводов или батарей.

Технология термоэлектрического преобразования используется для прямого преобразования тепла в электричество, и ожидается, что она станет эффективным способом использования отходящего тепла, естественного тепла и других источников тепла. В энергии, генерируемой термоэлектрическими преобразовательными элементами, электричество может эффективно генерироваться даже при небольшой разнице температур с небольшими колебаниями из-за масштаба, используя физическое явление, известное как эффект Зеебека. Более того, поскольку в системе выработки электроэнергии нет приводных частей, эта технология не подвержена механическим поломкам и обеспечивает долгосрочную надежность.

Мощность, генерируемая термоэлектрическими преобразовательными элементами, указывается безразмерной добротностью ZT, показанной в формуле (1), которая показывает, что предпочтительными условиями являются высокий коэффициент Зеебека α и низкое удельное электрическое сопротивление ρ и теплопроводность κ. Однако эти факторы взаимосвязаны, потому что все они являются электронными функциями, и поэтому состав материала должен быть скорректирован для получения оптимальной электронной плотности. В настоящее время наибольшее значение ZT при комнатной температуре достигается с материалом, основным компонентом которого является Bi2Te3, а его значение ZT составляет примерно 1.2.

Верхний диапазон коэффициента Зеебека для термоэлектрических материалов составляет приблизительно от 100 до 200 мкВ / K По этой причине обычно несколько модулей подключаются последовательно и используются в структуре модуля π-типа для получения практического напряжения. В отличие от структуры π-типа, в разработанном нами монолитном многослойном модуле используются термоэлектрический материал n-типа и термоэлектрический материал p-типа, сформированные в виде тонких листов, которые уложены друг на друга и спечены в едином кристалле, чтобы сформировать структуру элементов, показанную на рис. .1. Модульная структура с этим типом конфигурации может обеспечить следующие характеристики.

  • Нет необходимости в электродах, соединяющих термоэлектрические элементы
  • Нет необходимости в промежутках для обеспечения изоляции между элементами
  • Высокая эффективность поверхности даже при увеличении количества элементов
  • Высокое напряжение легко получить даже при небольших перепадах температур

Рис.1 Структура монолитного многослойного оксидно-металлического термоэлектрического модуля

В монолитном многослойном модуле, который был изготовлен в данном исследовании, использовался легированный La SrTiO3 в качестве материала n-типа, Ni с добавкой Mo в качестве материала p-типа и частично стабилизированный диоксид циркония в качестве изоляционного материала.Что касается их термоэлектрических характеристик при комнатной температуре, материал n-типа и материал p-типа, использованные в этом исследовании, продемонстрировали коэффициенты Зеебека -153 мкВ / K + 20 мкВ / K, удельное электрическое сопротивление 1,8 x 10 -5 Ом · м и 1,3 x 10 -6 Ом · м и теплопроводность 5,2 Вт / мК и 6,6 Вт / мК соответственно. Как показано в поведении этих материалов при термической усадке на рис. 2, эти материалы были отрегулированы таким образом, чтобы усадка начиналась при температуре около 1200 ° C, чтобы обеспечить спекание без приложения давления.

Рис.2 Характеристики усадки материалов комплектующих

В процессе изготовления монолитного многослойного модуля использовалась процедура, идентичная той, что и для многослойных керамических конденсаторов. Сначала были изготовлены листы термоэлектрического материала методом ракельного ножа до толщины 0,12 мм для n-типа и 0,03 мм для p-типа. Изолирующий материал был приготовлен путем смешивания порошка материала и органического растворителя с использованием трехвалковой мельницы для образования пасты, а затем был использован метод трафаретной печати для получения толщины 0 мкм.006 мм на каждом зеленом листе. Эти листы поочередно складывались в стопки по 50 пар, прессовались, а затем нарезались до заданного размера для получения зеленой стружки. После первого удаления органических компонентов в атмосфере 400 ° C эти сырые стружки спекали в течение двух часов при 1300 ° C в восстановительной атмосфере. Производительность модуля по выработке электроэнергии оценивалась путем применения разницы температур от 10 ° C до 360 ° C в атмосфере (с холодной стороной, установленной на уровне 20 ° C) и измерения открытого напряжения без нагрузки и выходного сигнала при нагрузке. был подключен.

Глоссарий

* Эффект Зеебека:

Эффект Зеебека — это явление, при котором соединение концов двух разных типов проводов с образованием замкнутой цепи будет генерировать электродвижущую силу, когда к обоим соединениям приложены разные температуры. Это было открыто в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком.

Фотография, показывающая внешний вид изготовленного модуля, показана на рис. 3. Модуль был точно изготовлен с размером 5.9 мм x 7,0 мм x 2,6 мм без видимых трещин, сколов, отслаивания между слоями или других дефектов и имел относительную плотность не менее 95%. Изображение соединений термоэлектрических материалов в этом модуле, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), показано на рис. 4. На этом рисунке область, окруженная пунктирными линиями, является изоляционным слоем. Как показано на рисунке, заметной элементной дисперсии между слоями нет, а также четко видны стыки термоэлектрических материалов.

Рис. 3 Фотография монолитного многослойного модуля

Рис.4 СЭМ-изображение p / n-переходов

Температурная зависимость напряжения холостого хода изготовленного модуля показана на рис. 5. Как показано на рисунке, напряжение холостого хода увеличивается линейно с увеличением разности температур, и значение 0,6 В получается при T = 100 ° C, 2,0 В получается при 300 ° C. Для характеристик выработки электроэнергии при подключении к нагрузке максимальное значение 187 мВт (при 0.15 А) получается при перепаде температур ⊿T = 360 ° C. Выработанная мощность на единицу площади, рассчитанная на основе этого значения и площади теплообмена модуля, составила 450 мВт / см 2 . Чтобы разработать этот термоэлектрический модуль для систем сбора энергии, необходимо оценить характеристики выработки электроэнергии при небольших перепадах температур. Поэтому была оценена генерируемая мощность при T = 10 ° C (горячая сторона: 30 ° C, холодная сторона: 20 ° C), и результаты этой оценки показаны на рис. 6. Как показано на этом рисунке, напряжение на холостом ходу составляет 52 мВ, а максимальная выходная мощность составляет 105 мкВт (при 4 мА).

Рис.5 Температурные характеристики напряжения холостого хода и максимальной мощности

Рис.6 Характеристики выработки электроэнергии при перепаде температур 10 ° C

Устройства, работающие с использованием технологии сбора энергии, обычно имеют два режима работы. В одном режиме генерируемая мощность превышает потребляемую мощность нагрузки, поэтому возможна непрерывная работа устройства. В другом режиме генерируемая мощность меньше, чем потребляемая мощность устройства, поэтому генерируемая мощность должна храниться в конденсаторе, а мощность подается на нагрузку после накопления определенного количества заряда.Для этого процесса емкость конденсатора, накапливающего заряд, должна быть выбрана в соответствии с характеристиками рабочего устройства. Для этого исследования мы изготовили интегрированное устройство беспроводного датчика, как показано на рис. 7, для использования датчика температуры и модуля связи в качестве нагрузки.

В этом устройстве в качестве источника тепла использовался нагреватель с температурой около 40 ° C, а его конструкция позволяла теплу, проходящему через термоэлектрический модуль, течь к корпусу. В этой конструкции при температуре внешней среды 25 ° C в монолитном многослойном модуле была получена разница температур 10 ° C.При такой конфигурации измерения температуры проводились примерно каждые 10 секунд, и эту информацию можно было отправлять по беспроводной сети. Чтобы обеспечить работу при дополнительных нагрузках, таких как работа при более низких температурах, более короткие интервалы работы и для управления несколькими датчиками, выходные характеристики модуля должны быть улучшены, а также необходимы усовершенствования для повышения эффективности преобразования материалов, снижение потерь в модуле и другие вопросы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *