В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TE.
Плюсы элементов Пельтье:
- небольшие размеры. Но соединив разные модули можно добиться нужных размеров.
- отсутствие каких-либо движущихся частей, а значит отсутствие шума
- отсутствие каких-либо газов и жидкостей
- при обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования
Минусы элементов Пельтье:
- маленький КПД
- деградация (снижается эффективность и срок службы модуля) элемента при высоких температурах
- при превышении температуры нагрева элемент может выйти из строя
- нормированное количество включений/выключений
- в случае использования элемента для охлаждения источник питания должен иметь ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.
Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.
Принцип действия элемента Пельтье
В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.
При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.
Современный элемент Пельтье представляет собой конструкцию из двух пластин-изоляторов (как правило керамических.). Между этими пластинами-изоляторами находится одна или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi2Te3 и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой.
 |
| Устройство модульного элемента Пельте А - контакты для подключения B - горячая поверхность C - холодная сторона D - медные проводники E - полупроводник p-типа F - полупроводник n-типа |
Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n-p), а снизу - противоположные (p-n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются... или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.
 |
| Соединение полупроводниковых элементов Пельтье A- горячая сторона, B - холодная сторона |
Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.
В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, т.к. это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.
Маркировка элементов Пельтье
Маркировка элемента Пельтье разделена на три группы
- Обозначение элемента. Первые две буквы всегда "TE". После них идёт буква "C" (стандартный размер) или "S" - малый размер.
Далее идёт цифра, указывающая сколько слоёв в элементе. - Количество термопар в элементе.
- Величина номинального тока, в амперах.
Вот пример расшифровки маркировки элемента Пельтье
 |
| Пример расшифровки маркировки элемента Пельтье 1- элемента Пельтье стандартного размера с 1 слоем элементов 2 - содержит 127 термопар 3 - номинальный ток 6 А |
Иногда может быть четвёртая группа, указывающая на размеры модуля. Например, "40" указывает что элемент имеет размер 40х40 мм.
Технические параметры элементов Пельтье
Главными параметрами у элементов Пельтье являются:
- Qmax – производительность холода. Данный параметр рассчитывается из максимального тока и разности температур между противолежащими обкладками модуля Пельтье
- DTmax – максимальный температурный перепад между сторонами элемента Пельтье в идеальных условиях
- Imax – ток, при котором перепад температур достигает своего максимума
- Umax - предельное напряжение, при котором перепад температур достигает своего максимума
- Resistence (RES) – сопротивление внутренних элементов изделия
- КПД (COP) - данный показатель у самых лучших модулей едва дотягивается до 50 %. Но чаще всего встречаются элементы КПД от 20% до 30%.
Комментариев нет:
Отправить комментарий