Принцип пельтье в холодильнике что это такое

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

Краткая теория

Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Пробуем

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.

Выкатываем тяжелую артиллерию

Выводы и видео на сладкое

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

Источник

Что такое элемент Пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение

Холодильное оборудование настолько прочно вошло в нашу жизнь, что даже трудно представить, как можно было без него обходиться. Но классические конструкции на хладагентах не подходят для мобильного использования, например, в качестве походной сумки-холодильника.

Сумка-холодильник на элементах Пельтье, нет компрессора, не нуждается во фреоне или других хладагентах

Для этой цели используются установки, в которых принцип работы построен на эффекте Пельтье. Кратко расскажем об этом явлении.

Что это такое?

Под данным термином подразумевают термоэлектрическое явление, открытое в 1834 году французским естествоиспытателем Жаном-Шарлем Пельтье. Суть эффекта заключается в выделении или поглощении тепла в зоне, где контактируют разнородные проводники, по которым проходит электрический ток.

В соответствии с классической теорией существует следующее объяснение явления: электрический ток переносит между металлами электроны, которые могут ускорять или замедлять свое движение, в зависимости от контактной разности потенциалов в проводниках, сделанных из различных материалов. Соответственно, при увеличении кинетической энергии, происходит ее превращение в тепловую.

На втором проводнике наблюдается обратный процесс, требующий пополнения энергии, в соответствии с фундаментальным законом физики. Это происходит за счет теплового колебания, что вызывает охлаждение металла, из которого изготовлен второй проводник.

Современные технологии позволяют изготовить полупроводниковые элементы-модули с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.

Устройство и принцип работы

Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.

Устройство модульного элемента Пельтье

Обозначения:

Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.

Рис. 3. А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

Маркировка

Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.

Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706

Маркировка разбивается на три значащих группы:

Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

Применение

Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:

Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.

Холодильник на элементах Пельтье

Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:

Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.

Термоэлектрический автохолодильник установленный в салоне автомобиля

Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.

Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.

Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.

Термоэлектрический генератор B25-12 (М) на 12 вольт, мощностью 25 ватт

Для охлаждения процессора

Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.

Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.

Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.

Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.

Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.

Термоэлектрический кулер Армада

Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.

Кондиционер на элементах Пельтье

Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело — охладить небольшой объем холодильной камеры, другое — помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.

Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.

В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.

Для охлаждения воды

Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:

Осушитель воздуха на элементах Пельтье

В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.

Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.

Как подключить?

С подключением модуля проблем не возникнет, на провода выходов необходимо подать постоянное напряжение, его величина указанна в даташит элемента. Красный провод необходимо подключить к плюсу, черный — к минусу. Внимание! Смена полярности меняет местами охлаждаемую и нагреваемую поверхности.

Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?

Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к соответствующему источнику напряжения и дотронуться до его разных сторон. У работоспособного элемента одна из них будет теплее, другая – холоднее.

Если подходящего источника под рукой нет, потребуется мультиметр и зажигалка. Процесс проверки довольно прост:

В рабочем модуле при нагреве одной из сторон генерируется электрический ток, что отобразится на табло прибора.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Схема подключения самодельного термогенератора

Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.

Принципиальная схема преобразователя напряжения

На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °С.

Источник

Эффект Пельтье и термоэлектрические модули на его основе. Что нужно знать перед практическим применением

Содержание:
История открытия
Теоретическое обоснование эффекта Пельтье
Работа термоэлектрического модуля
КПД ТЭМ
Применение термоэлектрических устройств
ТЭМ — за и против
Мини-FAQ
PS

Jean-Charles-Athanase Peltier (1785 — 1845)

Эффект Пельтье и термоэлектрические модули на его основе. Что нужно знать перед практическим применением

Содержание:
История открытия
Теоретическое обоснование эффекта Пельтье
Работа термоэлектрического модуля
КПД ТЭМ
Применение термоэлектрических устройств
ТЭМ — за и против
Мини-FAQ
PS

В начале 18 века основные научные направления и теории еще только формировались, а основной движущей силой были всевозможные эксперименты, которые проводились настоящими энтузиастами своего дела, в основном, в кустарных условиях и на доморощенной инструментальной базе. И к самоотверженной работе этих людей мы относимся с большим уважением их имена по праву вошли в историю.

Сразу скажем, что к современному термоэлектрическому модулю (ТЭМ) Жан Атанас Пельтье никакого отношения не имеет. В 1834 году он явился первоописателем явления, обратного открытому еще в 1821 году эффекту Зеебека (1770-1831), и оба автора открытий не понимали сути происходящего, равно как и то, что это явления одного порядка.

Так что же открыли Зеебек и Пельтье в отношении термоэлектричества?
Зеебек установил, что, если соединить концы двух металлических проводников из разных металлов и нагревать место соединения, то на свободных концах проводников возникает разность потенциалов, которая зависит от разности температур «холодного» и «горячего» спая и примененных металлов. Если быть точным, то он обнаружил при нагреве появление магнитного поля в замкнутой цепи, но это поле как раз и говорит о том, что в электрической цепи появился ток. Смена нагрева спая на его охлаждение (относительно «свободных» концов) приводит к изменению знака ЭДС. Также было обнаружено, что, даже только при нагреве спая, некоторые сочетания металлов дают положительный знак ЭДС, а другие — отрицательный.

В таком устройстве легко узнается современная термопара, широко и повсеместно применяемая для измерения температуры. Впрочем, официальным изобретателем термопары (в 1830 году) считается профессор музея Флоренции Леопольд Нобили.

Генерируемую термопарой ЭДС мы теперь называем термоэдс, хотя сам Зеебек до конца своих дней выступал против интерпретации открытого им явления как
термоэлектрического, ошибочно настаивая на том, что первопричиной является появление магнитного поля при нагреве.

Зеебека можно вполне отнести к «профессиональным» физикам, так как у него есть еще несколько открытий в различных областях. Но не все лавры достаются первооткрывателям. К примеру, известный эффект Доплера «открытый» в 1842 году Кристианом Доплером (прошло 11 лет после смерти Зеебека) был описан Зеебеком.

На некоторых информационных ресурсах, посвященных эффекту Пельтье, говорится о Пельтье как о часовщике. Это абсолютно неправильная интерпретация фактов, поскольку, начав работать в часовой мастерской в 15 лет, в возрасте 21 года он уже открывает в Париже собственный магазин и в том же 1806 году женится на Милли Дюфон. А за 20 лет до интересующего нас открытия Пельтье получил небольшое наследство, по родственной линии жены, позволившее ему полностью отказаться от необходимости зарабатывать хлеб насущный и посвятить все свое время любимому делу — экспериментальной физике, анатомии, метеорологии и ряду других направлений естествознания.

В одном из своих экспериментов Пельтье обнаружил, что проходящий через спай разнородных металлов ток создает разность температур между спаем и свободными концами проводников. Причем, если нагрев проводников при прохождении тока к тому времени уже был вполне объясним (закон Джоуля), то охлаждение ниже температуры окружающей среды казалось чудом. Впрочем, чудом было и то, что Пельтье удалось увидеть эту разницу на металлической паре, так как она не могла превышать пары градусов. Как и Зеебек, Пельтье так и не смог понять и объяснить суть происходящего.

К слову, сегодня, без мультиметра и заводских электрических элементов или блоков питания, не многие, даже вооруженные знаниями и описанием термоэлектрических эффектов, смогут повторить опыт Пельтье 175-летней давности.

Но наука шла вперед, и, в скором времени, появилась теория, описывающая термоэлектрические эффекты (Ленц) и некоторые недостающие звенья (Томсон, более известный как лорд Кельвин). В начале 19 века немецкий инженер Альтенкирх развил теорию и ввел понятия холодильного коэффициента и Z-эффективности, показав, что эффект Пельтье на металлических спаях, ввиду достижимой разницы температур всего в несколько градусов, не пригоден для практического применения. И только спустя несколько десятков лет, прежде всего усилиями академика А. Иоффе и разработанной им теории твердых растворов, были теоретически и практически получены результаты, давшие импульс широкому практическому применению эффекта Пельтье.

Далее по тексту термоэлектрические модули, использующие эффект Пельтье, будут называться сокращенно ТЭМ, в конкретном контексте под это определение могут попадать и другие устройства, использующие термоэлектрические принципы, но термоэлектрические генераторы, как правило, будем обозначать аббревиатурой ТЭГ.

Теоретическое обоснование эффекта Пельтье

Из школьного курса физики мы знаем, что ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Под заряженными частицами обычно понимаются свободные электроны, а упорядоченность возникает при подключении источника электродвижущей силы, переводящей электроны из хаотического теплового (броуновского) движения в более осмысленное, с человеческой точки зрения. Впрочем, броуновское движение не прекращается и с появлением электрического тока. Лучшими проводниками тока при комнатной температуре являются металлы.

Также в школе мы узнали и о диэлектриках — веществах, плохо проводящих электрический ток. Это не значит, что в диэлектриках нет свободных электронов — их, в кубическом сантиметре даже самых лучших изоляторов, может быть сотни триллионов! И все же этого недостаточно для возникновения явления проводимости. Вещество становится проводящим, когда концентрация носителей тока увеличивается еще в тысячи раз, такую проводимость имеют полупроводники, а подняв удельное число носителей на пару порядков, получаем полуметаллы (сильно легированные полупроводники, или твердые растворы), дальнейшее увеличение концентрации носителей характеризует уже настоящие проводники — металлы.

Вспомнив эти азы, мы готовы к восприятию критерия Z-эффективности термоэлектриков по Альтенкирху, используется также термин «добротность»:

α — коэффициент термоэдс,
σ — удельная электрическая проводимость,
κ — удельная теплопроводность, состоящая из теплопроводностей кристаллической решетки и электронов.

Термоэдс и определяет энергию, которую электрон «прокачивает» через контакт двух разнородных материалов. Для эффективности переноса энергии необходимо иметь высокую проводимость материала (или низкое удельное сопротивление ρ = 1 / σ) и низкую теплопроводность, чтобы кристаллическая решетка не взаимодействовала с электронами (взаимодействие = энергообмен).

Выбор вещества в качестве термоэлектрика, в котором с нужными качествами сочетаются все три параметра, оказался нетривиальной задачей. Для начала 19 века доступны были только металлы, не обладающие высокой добротностью и не позволившие получать практическую пользу от эффектов термоэлектричества, за исключением, пожалуй, использования термопар для измерительных целей.

Другими словами, в металлах много свободных электронов, но переносимая ими энергия мала, что дает общий слабый эффект. В диэлектриках переносимая энергия может быть большой, но число их относительно невелико, что также не обеспечивает нужного эффекта. Нужно было найти или изготовить искусственным способом золотую середину. Материалы, обладающие нужными качествами, были получены в середине 20 века, прежде всего, благодаря усилиям А.Иоффе. Ими оказались полуметаллы, к примеру, псевдобинарные непрерывные твердые растворы на основе теллуридов висмута или сурьмы, широко используемые и в настоящее время в ТЭМ с рабочими температурами, близкими к комнатной. Твердые растворы, несколько уменьшая составляющую α²σ, по сравнению с отдельными компонентами, в несколько раз снижают теплопроводность кристаллической решетки, тем самым увеличивая итоговую добротность термоэлектрика.

В популярной литературе термин «полуметаллы» встречается редко и заменяется на «полупроводник», мы также в дальнейшем будем называть вещество термоэлектрика полупроводником. Впрочем, это не сильно искажает истину, так как, при T = 1000K, эффективно работает пара из «настоящих полупроводников» германий-кремний.

Любая система, без воздействия внешних сил, стремится к равновесию, применительно к местам соприкосновения полупроводников с разным типом проводимости (так называемой электронной и дырочной, хотя не следует забывать, что «дырок», как физических носителей, не существует) это означает, что на границе веществ образуется «потенциальный барьер», или контактная разность потенциалов, препятствующая прохождению свободных носителей из одного типа полупроводника в другой (если их энергия ниже некоторого порога). Ввиду того, что имеется разброс энергетического состояния носителей, часть их может преодолевать этот барьер даже и без внешнего источника энергии, но этот процесс взаимен и происходит с обеих сторон спая и приводит к некоторому равновесному состоянию.

Равновесие можно нарушить, пропустив через спай (р-n переход) электрический ток, тем самым дав возможность большему числу электронов преодолевать контактную разность потенциалов.

Изменение полярности подключения источника питания приведет к эффекту смены теплового состояния — теперь нагреваться будет правый от полупроводника n-типа спай, а охлаждаться — левый.
В теорию этого процесса можно погружаться бесконечно глубоко, но вряд ли это будет очень интересно.

Так как нужно получить охлаждающую (или нагревающую) поверхность, то полупроводники обычно изготавливаются в виде прямоугольных брусков (выращиванием и последующей нарезкой), устанавливаемых на пластину из диэлектрика (обычно из оксида алюминия, но иногда используются и более дорогие вещества, если требуется очень высокая теплопроводность).

Разумеется, «развертыванием» р-n перехода и соединением двух разнородных проводников посредством контактной дорожки и пайки, вместо одного спая создается два, и на каждом из них будет проявляться свой эффект Пельтье, что в сумме даст худший эффект, чем при непосредственном контакте полупроводников. Кроме того, в случае охлаждающего ТЭМ, электрическое сопротивление такого соединения приведет и к дополнительному паразитному нагреву. Но этих явлений не избежать, поэтому внутренние соединения ТЭМ делаются толстой напайкой из металла или сплава, соответствующего используемым полупроводникам.

Коэффициент Пельтье π связывает количество теплоты от эффекта Пельтье и плотность тока. Хоть Зеебек и не признал открытое им же явление термоэдс, тем не менее, это величина, которую достаточно легко измерить, в отличие от коэффициента Пельтье.

Связь между коэффициентами

По мере развития термоэлектричества, стало ясно, что свойства ТЭМ сильно зависят от температуры и нужен более универсальный параметр эффективности, чем добротность по Альтенкирху. Было предложено использовать коэффициент ZT, дающий возможность охарактеризовать работу термоэлектриков в широком диапазоне температур. И на многие годы камнем преткновения стали попытки преодоление этим коэффициентом значения единицы. Физическая теория не накладывает ограничений на величину ZT и современная наука находится в поисках таких материалов.

Можно отметить тот факт, что существуют и магнитоэлектрические явления, которые могут существенно усилить термоэлектрические эффекты.

В завершение главы необходимо упомянуть еще об одном термоэлектрическом явлении, эффекте Томсона, открытом в 1856 году, который проявляется в однородной среде и для него не нужны контакты разнородных материалов. Если вдоль проводника, по которому проходит электрический ток, существует перепад температур, то, в дополнение к теплоте Джоуля, в проводнике выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) дополнительное количество теплоты.
Насколько существенна эта теплота, прямых данных обнаружить не удалось, однако Альтенкирх, зная об эффекте Томпсона, ее не учитывал. С другой стороны, современные (2008 года) исследования этот эффект, при рассмотрении термоэлектрических явлений, считают существенным, особенно при низких температурах и приводит к появлению существенных нелинейностей, кроме того, и сама величина теплоты Томсона рассчитывается в современной физике по-другому.
Чтобы не затруднять себе жизнь, эффект Томсона учитывать не будем.

Работа термоэлектрического модуля

Многие вопросы у начинающих пользователей ТЭМ возникают из-за непонимания сути происходящих при его работе явлений. Давайте рассмотрим упрощенную модель ТЭМ, без учета эффекта Томсона, Ричардсона и других, не оказывающих в «бытовом» применении существенного влияния на результат, и считая, что теплопередача не осуществляется через боковые (нерабочие) поверхности термоэлементов. Говоря еще более строго, параметры ТЭМ определяются в вакууме и при поддержании постоянной температуры «горячей» стороны на уровне 300К. Попробуем определить тепловой баланс Q для «холодного» спая, без учета временных параметров (в нестационарных режимах за счет инерционности теплообменных процессов и безынерционности эффекта Пельтье, при подаче импульсов тока, возможно кратковременное получение пиковой холодопроизводительности в несколько раз большей, чем при стационарном режиме).

В этом случае действуют:

эффект теплопроводности, стремящийся устранить разность температур рабочих сторон термоэлемента, с выделением теплоты Qтп = K*(Tхол-Tгор), где К — полная теплопроводность, зависящая от удельной теплопроводности, площади сечения и длины термоэлемента, Tгор – температура «горячего» спая.

В связи с этим существуют два маргинальных случая, когда Q=0 и Q=Q max.
Q=0 соответствует максимальной разнице температур на концах ТЭМ (ΔTmax = Tгор-Tхол), то есть, когда вся теплота (то есть, в данном случае, холод) от эффекта Пельтье расходуется на перемещение теплоты от эффекта Джоуля на «горячий» спай и компенсацию эффекта теплопроводности.
Этот вариант соответствует режиму «холостого хода» и отсутствию тепловой нагрузки, поэтому практического интереса не представляет.

Q=Q max соответствует ситуации, когда разница температур равна нулю, то есть предельный режим работы ТЭМ, при котором дальнейшее увеличение тока не имеет смысла. Этот параметр и соответствующий ему ток и рабочее напряжение указывается в паспортных данных ТЭМ. Поэтому, в отличие, например, от транзисторов, где превышение максимального тока чревато невосстанавливаемым пробоем и перманентным выходом из строя, превышение максимального тока ТЭМ может привести лишь к росту его температуры (она часто ограничена температурой низкоплавкого припоя на основе висмута, используемого при пайке, имея в виду ТЭМ, предназначенные для работы в условиях комнатных температур, надо сверяться с данными по конкретному ТЭМ). Практическую ценность может представлять информация, что максимальная холодопроизводительность составляет около 60% от потребляемой электрической мощности. Но режим работы с максимальным током, соответствующим Q max, является и самым неэкономичным для ТЭМ.

Рабочим режимом является некоторое промежуточное значение холодопроизводительности, ниже максимального, но при котором еще существует определенная разница температур под определенной тепловой нагрузкой.

При желании из приведенных соотношений можно вывести ряд формул, в том числе и для максимального тока.

Для серийно выпускаемых ТЭМ в паспортных характеристиках указываются максимальный ток и при каком напряжении он достигнут, максимальная холодопроизводительность, максимально достижимая разность температур, габаритные размеры и материал корпуса.

Эквивалентом КПД для ТЭМ, используемого как охладитель, является коэффициент преобразования

ɛ = (Tхол / (Tгор-Tхол)) * (SQR(1+ ½ Z(Tгор+Tхол)) –
— Tгор/Tхол) / (SQR(1+ ½ Z(Tгор+Tхол)) + 1)
SQR означает извлечение квадратного корня из последующего выражения, заключенного в скобки.

В принципе, легко узнается термодинамическая составляющая и функция потерь.
Можно также заметить, что при приближении Tхол к Tгор коэффициент преобразования будет увеличиваться и не видно, как и чем он ограничивается. И хоть такой режим соответствует максимальной холодильной мощности, в практических целях его обычно не применяют, ибо всегда стремятся достичь разницы температур. Конечно, в «рост КПД выше единицы» верится с трудом, но объяснение этому простое — если два контактирующих вещества находятся при близких температурах, энергетические уровни большинства электронов достаточны для совершения работы выхода без внешней подпитки энергией. И термоэлектрический насос, в отличие от механического, который должен физически перекачивать жидкость, не совершает работу по переносу каждого носителя.

Применение термоэлектрических устройств

Эффект Пельтье может использоваться как для охлаждения, так и для нагрева. Достигается это простым изменением полярности питающего напряжения.

Далее можно отметить устройства охлаждения радиоэлектронных компонентов и различные устройства термостатирования ввиду легкости прецизионного электронного регулирования
температуры как для нагрева, так и для охлаждения.

Выше говорилось, что максимальная холодопроизводительность ТЭМ получается при определенном значении тока, который при заданном значении напряжения питания показывается как I max. Нестационарный режим питания импульсами тока, в несколько раз превышающими I max, на некоторое время позволит получить холодопроизводительность, намного превышающую паспортную. Это объясняется тем, что сам эффект Пельтье безынерционен, в отличие от распространения теплоты джоуля и явления теплопроводности, и, в течение нескольких секунд, этим можно воспользоваться. Впрочем, нестационарные режимы широкого применения не получили.

Ввиду обратимости термоэлектрических эффектов, ТЭМ может использоваться и в качестве ТЭГ. Вдали от удобств цивилизации это может быть один из немногих доступных источников электрической энергии, например, для подзарядки аккумуляторов или прямого питания радиоэлектронной аппаратуры или других устройств. Естественно, не каждый ТЭМ может быть использован для этих целей. Достаточно широко используются устройства, в которых разница температур создается между наружной металлической оболочкой, нагреваемой открытым огнем (костром), и внутренней оболочкой, охлаждаемой водой. «Холодная» сторона будет ограничена температурой кипения воды, поэтому такой ТЭМ должен быть рассчитан на рабочую температуру 500-600°К.

Следует иметь в виду, что тепловой баланс для ТЭГ качественно отличается от ТЭМ на основе эффекта Пельтье, и этот эффект (вместе с теплотой Джоуля) вносит всего несколько процентов в общий вклад, что требует совершенно других акцентов при конструировании ТЭГ.

ТЭГ широко применяются в космической технике, где температура «горячей» стороны поддерживается радиоизотопным источником.

Впрочем, вживляемые в тело человека кардиостимуляторы также снабжены ТЭГ с радиоизотопным источником для создания разности температур.

Можно упомянуть и возможность каскадирования элементов охлаждения, путем «построения пирамиды» можно добиться разницы температур, не достижимой с помощью одиночного элемента. Правда, за это нужно будет заплатить высокую энергетическую и инженерную цену — каждый следующий каскад должен быть соответствующей мощности, чтобы создавать разницу температур с учетом полезной и полной тепловой нагрузки предыдущего каскада, а на последнем этапе все возросшее в геометрической прогрессии тепло еще надо и отвести.

ТЭМ обладает рядом уникальных потребительских свойств, что, в некоторых условиях эксплуатации, делает их просто незаменимыми.

За:
Полная бесшумность
Безынерционность эффекта
Отсутствие движущихся частей
Экологическая безопасность
Отличные массогабаритные данные и высокая удельная мощность
КПД не зависит от габаритов
Конструктивное исполнение практически любого форм-фактора
Способность работать в широком диапазоне температур
Нечувствительность к короткому замыканию
Мгновенная готовность к работе
Минимальные затраты на обслуживание

Против:
Даже при нулевой полезной холодопроизводительности потребляется энергия
Необходим качественный отвод тепла с горячей стороны, причем мощности, в несколько раз превышающей полезную холодопроизводительность

Как правильно подобрать мощность элемента Пельтье для непосредственного охлаждения процессора с TDP ХХ Вт?

Предположим, имеется ТЭМ с холодопроизводительностью XX Вт. Что это означает? То, что, при условии интенсивного охлаждения «горячей» стороны ТЭМ до 27°С, температура процессора будет не ниже 27°С. Какую тепловую мощность при этом нужно будет рассеять на «горячей» стороне ТЭМ?
Суммируем тепловыделение процессора XX Вт и электрическую мощность, потребляемую ТЭМ Qджоуля = XX Вт / (0.5. 0.6), что в итоге составляет примерно 3*XX Вт.
Готовы ли вы рассеять такую мощность и поддерживать на «горячей» стороне ТЭМ 27°С?
Если нет, то соответственно и «горячая» сторона, и «холодная» будут иметь одинаково более высокую температуру.

Если требуется понизить температуру процессора по отношению к температуре «горячей» стороны ТЭМ, то необходимо применять модуль, с холодопроизводительностью в несколько раз большей, чем TDP процессора, работающий на пониженной мощности, или не один, а несколько модулей, с суммарной холодопроизводительностью в два-четыре раза выше TDP процессора, или, в необходимых случаях, использовать и каскадное подключение. Но энергетические затраты и необходимость еще более лучшего охлаждения вряд ли обрадуют рядового пользователя.

Многие разочарования от использования систем охлаждения на основе эффекта Пельтье связаны именно с недооценкой количества того тепла, которое придется отводить от «горячей» стороны ТЭМ. Проблема с отводом тепла с помощью ТЭМ от процессора с TDP=125Вт будет очень сложной. В этом случае лучше использовать ТЭМ для вспомогательного охлаждения в контурах СВО, о чем подробно рассказано в соответствующей ветке на форуме overclockers.ru.

Кстати, производители ТЭМ часто предлагают специализированные программы, помогающие правильно спроектировать систему охлаждения.

Чем больше модулей, тем выше КПД?
Само по себе число модулей КПД не повышает. Увеличение числа модулей, при правильном расчете, дает возможность получить, например, такую же холодопроизводительность с меньшими затратами энергии на каждый элемент, снижая рабочий ток, и, соответственно, получая пониженные требования к охлаждению «горячей» стороны.

В паспортных данных говорится, что разность температур ХХ, у меня же практически она равна нулю!
С процессором в TDP 125Вт не справляются два модуля по 89 Вт. Почему?
Параметры ТЭМ измеряются в идеальных условиях (вакууме и при постоянной температуре «горячей» стороны в 300К, к тому же максимальная температура достигается при отсутствии тепловой нагрузки на «холодной» стороне. При условии поддержания температуры «горячей» стороны в 300К (27°С) и повышении тепловой нагрузки на «холодной» стороне разность температур будет снижаться вплоть до нуля, а если тепловая мощность на «холодной» стороне будет повышаться и дальше, то «холодная» сторона уже будет теплее «горячей» за счет тепловой инерции и теплового сопротивления модуля.
То есть, в идеальных условиях и при нагрузке, равной максимальной тепловой мощности ТЭМ, разница температур равна нулю! Для получения разности температур нужно уменьшать тепловую нагрузку, при тех же энергетических затратах. Но для повышения энергоэффективности и облегчения условий охлаждения «горячей» стороны, на ТЭМ подается электрическая мощность, на 20-50% менее значения, соответствующего энергопотреблению при максимальной тепловой мощности. В реальных условиях для однокаскадной системы охлаждения достигается разность температур 20-40°.

Приведенные цифры соответствуют модулям с рабочими температурами, близкими к комнатным.
В общем случае, если температура «горячей» стороны не поддерживается и возрастает с тепловой нагрузкой, то максимально достижимая разница температур будет меньше паспортной.

Без тепловой нагрузки, за счет явления теплопроводности точка «средней температуры» находится примерно посередине (не строго, так как за счет эффекта Томсона она будет смещена). В данном случае «перекачивается» теплота Джоуля от протекания тока по ТЭМ с «холодного» на «горячий» спай и производимым холодом блокируется эффект теплопроводности от «горячего» спая. Появление тепловой нагрузки на «горячем» спае можно рассматривать как теплоту, часть которой путем теплопроводности будет передана на «горячий» конец, повысив его температуру, если одновременно не увеличивать охлаждение «горячего» спая, а вторая половина, приведенная к «холодному» спаю, равносильна уменьшению холодильной мощности (происходит «взаимозачет» тепловых потоков), соответственно температура «холодного» спая повышается. Из-за этого происходит дальнейшее повышение температуры ТЭМ от теплоты Джоуля и за счет меньшего противодействия теплопроводности.

Заметим, что работа, совершаемая током, при этом не меняется (что, на самом деле, не совсем так, поскольку полупроводники и полуметаллы крайне чувствительны к температуре).

Холодильники на ТЭМ работают эффективнее по сравнению с охлаждением электронных компонентов из-за хорошей герметизации корпуса?
Герметизация, безусловно, важна, но она означает только то, что тепловая нагрузка на ТЭМ все время падает, в отличие, например, от охлаждения постоянно выделяющего тепло процессора.

К примеру, если нет подходящего источника питания и используется компьютерный блок питания, то 4 ТЭМ на 14-15 вольт, можно подключить параллельно к напряжению 5 вольт, или попарно последовательно-параллельно к напряжению 12 вольт ( два модуля последовательно с тем, чтобы каждый модуль запитывался напряжением 6 вольт, и оба блока параллельно к источнику 12 вольт).

Последовательное соединение можно рекомендовать только для однотипных модулей, при этом желательно их подобрать в пары по максимально близкому сопротивлению.

В честь 175-летия открытия эффекта Пельтье была приобретена горстка ТЭМ для небольших практических опытов.

Для экспериментов потребуется небольшой набор аксессуаров,

в данном случае это источники питания в виде компьютерного блока мощностью 650 Вт (на фото отсутствует), прецизионного регулируемого источника питания PXN-1505D, два цифровых мультиметра с термопарами, блок для измерения температур с 4-мя термодатчиками Zalman MFC2 (нет на фото), ИК термометра DVM8861 (-50..550°C) c двухлучевым лазерным указателем для визуальной индикации размера захватываемого участка и набор различных металлических пластин, радиаторов, крепежных элементов, проводов и силовых резисторов. Также на фото отсутствует 450-ваттный термогенератор (фен) SMD852, тюбик КПТ-8 и прочие мелочи.
Сразу следует сказать, что, для получения максимально эффективной работы ТЭМ как охладителей, для их питания необходимо использовать регулятор напряжения, управляемый температурой охлаждаемого устройства по требуемому графику регулировки. Конечно, для маломощных охлаждаемых устройств, например, для чипсетов материнских плат, можно подобрать требуемый ток и держать ТЭМ постоянно подключенными. Если требуется холодильная мощность более 100 Вт, например, для непосредственного охлаждения процессора, то это потребует рассеивания порядка 300Вт на «горячей» стороне ТЭМ, что вряд ли целесообразно делать постоянно — ведь процессор не все время такой прожорливый.

Но для тех, кто будет экспериментировать, используя компьютерный блок питания, возможно, пригодится следующая информация.

В горстке показанных термоэлементов всего три разновидности: TEC1-12710, TEC1-12706, TES1-12704. В таблицу сведены их паспортные параметры и то, что можно с них выжать (максимальную холодопроизводительность) при питании 12 вольт.

Ради эксперимента была предпринята попытка охладить модулем TEC1-12706 (на фото ниже примерка с TEC1-12710), подключенным к питанию 5 вольт, чипсет на материнской плате M3N72-EM (GF8300), после замены штатного радиатора на теплосъемную пластину (к сожалению, из латуни, так как в тот конкретный момент подходящего куска меди или алюминия под рукой не оказалось.

В результате, максимальный выигрыш (8-10° с модулем против 18-21° без, в обоих случаях радиатор с вентилятором). Конечно, можно заменить материал основания, добавить тока, но температуру ниже понижать уже нельзя, чтобы не образовывался конденсат. Пассивный радиатор на элементе приводит к прогреву до 27-30°С (в комнате 23°С), тот же радиатор без элемента обеспечивает температурный режим 57°. К слову, GlacialTech 5700 без кожуха и в пассивном режиме снижает температуру до 46°С.

Таким образом, решено не применять ТЭМ для охлаждения чипсета на этой материнской плате.

Разумеется, то, что модули ТЭМ были куплены в ознаменование 175-летия открытия эффекта Пельтье, это гротеск. На самом деле, все проще — в серии статей «Компьютер будущего» (для тех, кто не читал поясню, что имеется в виду компьютер из ближайшего будущего автора, а не будущего вообще), говорится о компьютере без механически движущихся частей (за исключением BluRay привода).

Поэтому и появилась идея использовать ТЭМ. Конструкция непосредственного контакта ТЭМ с процессором непригодна, так как в таком случае требуется необоснованно большой расход энергии и необходимость рассеивания соответствующего тепла и в случае, когда процессор эффективно охладился бы силами крупного пассивного радиатора без всяких дополнительных затрат энергии. Но вполне возможно встроить ТЭМ во вторичный контур охлаждения, установив дополнительный теплосъемник в верхней точке тепловых трубок пассивного радиатора и охлаждая его, уже по мере необходимости (по сигналам с датчиков температур, а в простейшем случае используя механический термостат с гистерезисом). Радиатор охлаждения ТЭМ может вообще быть вынесен за пределы корпуса (как его декоративный элемент и чтобы повысить общую эффективность системы охлаждения).

Суммарная паспортная мощность 4-х ТЭМ (планируется две пластины) более 210 Вт, что, с учетом первичного пассивного радиатора, должно обеспечить охлаждение, даже в щадящем включении ТЭМ, 45 ваттного процессора.

Можно исхитриться и между боковой стенкой компьютера и большим радиатором ТЭМ поставить ТЭМ в режиме ТЭГ, обеспечив прижим элементов одной стороной к радиатору («горячая»), другой стороной («холодная») к корпусу. Сделав последовательное подключение элементов, можно, без всяких внешних элементов и источников питания, генерируемым напряжением запускать резервный вентилятор, выдувающий теплый воздух из корпуса наружу, или обдувающий пассивный радиатор процессора. Впрочем, экономическая самоокупаемость такого решения явно подкачает, но принципиальная возможность этого есть.

Дополнительные теплосъемники (или, например, один из существующих Г-образных), могут быть выполнены в виде U-образной пластины и дополнительный пассивный радиатор может располагаться и над верхней крышкой корпуса. На вторую боковую крышку планируется вывести просто пассивный радиатор, без ТЭМ, на который передается тепло с активных элементов блока питания, установленных на медный радиатор П-образного профиля с выфрезерованными зубцами для увеличения площади охлаждения.

Источник