Элемент пельтье и его принцип работы

Осушитель воздуха Пельтье своими руками из старого холодильника

Материалы:

• кусок оргстекла, размером 500х600 мм;
• герметик, к примеру, на основе силикона;
• бытовой вентилятор, мощность которого составляет 100 Вт;
• 10 штук саморезов;
• шланг для слива жидкости;
• 2 силиконовые прокладки;
• 2 гайки;
• втулка.

Дверца морозильной камеры снимается, так как она не потребуется при монтаже конструкции. Вентилятор врезается внутрь оргстекла таким образом, чтобы он обеспечивал поступление воздуха внутрь старой морозильной камеры. Для выполнения такой работы следует проделать в оргстекле отверстие требуемого диаметра, в котором фиксируется с помощью саморезов вентилятор. Стыка и отверстия для создания прочности та герметичности заделываются силиконовым клеем.

Снизу конструкции проделывается отверстие и вставляется шланг для слива отработанной жидкости. Отверстие в обязательном порядке уплотняется герметиком. Свободный конец трубки выводится в емкость, куда и будет стекать отработанная жидкость. На место дверцы устанавливается оргстекло с вмонтированным вентилятором. Данная конструкция, естественно, не будет иметь достойного эстетического внешнего вида, но свои функции будет выполнять безукоризненно. К примеру, данный осушитель своими руками способен снизить влажность в помещении на 8% за одни сутки, притом температура на входе – 14 градусов, а на выходе – 9 градусов.

Осушитель воздуха позволяет создать в помещении необходимые показатели влажности. Простые устройства создают благотворный микроклимат в комнате и не позволяют развиваться в ней плесени и грибкам.

https://www.youtube.com/watch?v=EKXWUSMpHaE

Принцип работы элемента Пельтье для непрофессионалов

Элемент Пельтье – термическая пара, которая представляет собой 2 проводника р и n, с последовательным соединением между собой. При протекании электрического тока через установленные элементы, тепло на контакте n-p поглощается, а на контакте p-n – образовывается. В результате физического явления на примыкающем участке температура будет снижаться, а противоположный элемент, соответственно, будет повышать свои температурные показатели. При изменении полярности тока изменяется функциональность участков: место нагрева будет охлаждаться, а противоположная сторона – нагреваться. Для использования на практике элемента установки одной термопары недостаточно. Чем мощнее термоэлектрический модуль, тем больше в нем установлено термопар.

Достоинства

• Компактные размеры устройства.
• Отсутствие движущихся механизмов в конструкции.
• Отсутствие газа и жидкости.
• Бесшумность.
• Наличие регулировки мощности охлаждающего процесса.
• Возможность выполнять термостатирование при разных показателях температуры окружающей среды.

Осушитель своими руками

Недостатки

• Незначительный КПД.
• Потребность использования электросети.
• Ограниченное количество включений и отключений.
• Большие затраты при использовании мощного модуля.

Сферы использования

• В холодильных установках бытового характера.
• В процессе охлаждения электроники.
• В генераторах, основанных на термоэлектрическом принцип.

Принцип элемента Пельтье

Речь идет о механизме термоэлектрического преобразователя, который действует на эффекте Пельтье. Основывается он на появлении разности температурных показателей в процессе перемещения электрического тока через элементы преобразователя.

В своей конструкции устройство имеет одну или несколько пар полупроводниковых параллелепипедов n — и р-типа, которые соединяются парами по средствам перемычек, как правило, металлических. В конструкции они являются своеобразными термическими контактами. Такие элементы изолированы с помощью пленки, устойчивой к току. Перемычки могут быть исполнены и в виде пластин, выполненных из керамики.

Полупроводниковые параллелепипеды соединяются последовательно: вверху – n->p, внизу — p->n. В процессе использования элементы, находящиеся вверху, охлаждаются, а нижние контакты – нагреваются. То есть с помощью электрического тока тепло перемещается с одной стороны на другую, создавая разность температурных показателей, которая может составлять до 70 градусов. Показатели зависят от величины поставляемого тока.

Элемент Пельтье для кондиционеров своими руками

Если речь идёт об элементе Пельтье для кондиционеров, то он может быть изготовлен только из проводника «ПР12». Дело в том, что этот тип проводников отлично выдерживает аномальные температуры и способен выдавать до 23В напряжения. Сопротивление при этом должно колебаться в пределах 3 Ом. Максимальные перепады температур будут достигать 10 градусов и КПД – 65 процентов. Проводники нужно укладывать в один ряд.

Стоит отметить, что элемент Пельтье может служить в качестве охладителя для видеокарты персонального компьютера. Для изготовления охладителя нужно взять 14 проводников, желательно из меди. Чтобы подключить элемент Пельтье к видеокарте ПК нужно задействовать немодульный проводник. Само устройство монтируется рядом с встроенным кулером на видеокарте. Для закрепления можно использовать маленькие металлические уголки, а для фиксации обычные гаечки.

Если при работе замечаются какие-то интенсивные шумы и прочие неестественные звуки, стоит проверить работоспособность проводки и осмотреть каждый проводник.

Элемент пельтье своими руками

Изготовить устройство в домашних условиях практически невозможно, тем более это не имеет особого смысла, учитывая его невысокую рыночную стоимость.

Но большинство умельцев все же предпочитает мастерить элемент пельтье своими руками, ссылаясь на ряд его достоинств:

1. Компактность, удобство установки на самодельное электронное плато.
2. Отсутствие движущихся деталей, что увеличивает сроки его эксплуатации.
3. Возможность соединения нескольких элементов в каскадной схеме для снижения очень больших температур.

Тем не менее, пельтье своими руками имеет определенные недостатки: низкий коэффициент полезного действия (КПД), необходимость подачи высокого тока для получения заметного перепада температуры, сложность отведения тепловой энергии от охлаждаемой поверхности.

Рассмотрим на примере схем, как сделать пельтье своими руками:

• Задействовать его в качестве детали термоэлектрического генератора, согласно рисунку подключения.
• Собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920 (рисунок 1).

Рисунок 1. Элемент пельтье своими руками: универсальная схема

Далее стоит следовать простой инструкции, как сделать пельтье своими руками:

1. Подать на вход получившегося преобразователя напряжение диапазоном 0.8-5.5В, чтобы иметь на выходе стабильные 5В.
2. При использовании устройства обычного типа — поставить лимит температуры нагреваемой стороны в 150 градусов.
3. Для калибровки — в качестве источника тепла использовать емкость с кипящей водой, которая точно не нагреется свыше 100 градусов.

Описание технологии и принцип действия

Способ работы термоэлектрического охладителя достаточно прост. Эффект пельтье своими руками основывается на контакте двух проводников тока, обладающих разным уровнем энергии электронов в зоне своей проводимости.

Рисунок 2. Принцип действия элемента

При подаче электротока через такую связь, электрон приобретает высокую энергию, позволяющую ему перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости второго полупроводника. Когда эта энергия поглощается, происходит остуживание места охлаждения проводников (рисунок 2).

При протекании процесса в обратном направлении — реакция приводит к нагреванию контактного места и обычному тепловому эффекту.

Посмотрев пельтье своими руками видео, можно сделать определенные выводы о принципе его действия:

1. Величина подаваемого тока будет пропорциональной степени охлаждения — если с одной стороны модуля сделать хороший теплоотвод, при использовании радиаторных схем, его холодная сторона обеспечит максимально низкую температуру.
2. При смене полярности тока — нагревающая и охлаждающая плоскости меняются метами.
3. При контакте объекта с металлической поверхностью, он становится настолько мал, что его нельзя увидеть на фоне омического нагрева, других эффектов теплопроводности, поэтому на практике применяют два полупроводника.
4. Благодаря разнообразному количеству термопар — от 1 до 100, можно добиться практически любого показателя холодильных мощностей.

Технические характеристики элемента пельтье

Компонент получил широкое применение в различных холодильных схемах.

Что неудивительно, так как пельтье своими руками имеет следующие технические характеристики:

1. Способен достигнуть низких температур, что служит отличным решением для охлаждения электрических приборов и тех оборудования, подвергающегося нагреву.
2. Прекрасно выполняет работу обычного куллера, что делает возможным его установку в современные звуковые и акустические системы.
3. Абсолютно бесшумен — в процессе работы не издает никаких посторонних и интенсивных звуков.
4. Обладает мощной теплоотдачей при сохранении нужной температуры на радиаторе достаточно продолжительное время.

Изготавливаем кулер для воды самостоятельно

Для охлаждения воды в кулерах применяются охлаждающие элементы или ТЭМы. Такой прибор или его аналог можно изготовить и в домашних условиях, если есть необходимые детали и небольшой опыт по сборке электрических цепей. Сделанную основу можно дополнить по своему усмотрению, так что кулер может иметь самые разные формы и конфигурации.

Для изготовления охлаждающего ТЭМа может понадобиться параллелепипед из нержавеющей стали со сторонами 10*10*3см, который будет служить теплообменником и должен быть абсолютно герметичным. С двух наименьших сторон просверливаем отверстия – выходы диаметром ½ дюйма. Выходы должны иметь резьбу для вкручивания дополнительных деталей, поэтому если не можете сделать их самостоятельно, обратитесь к специалистам.

Также понадобится:

• гибкая подводка для воды, которую можно купить в любом магазине сантехники;
• блок для подсоединения кулера к сети, который может регулировать силу тока;
• термоэлектрический модуль TEC1–12705 (40×40), а точнее два модуля;
• достаточное количество проводов сечение 0.2-0.3 мм;
• термоклей, который можно заменить термопастой;
• а также тумблер и кнопка, которые будут вводить наше устройство в действие.

Этапы работы.

1. В первую очередь надежно фиксируем модуль на нержавеющей емкости. Это можно сделать термоклеем. Затем провода распределяем на плюс и минус, подключаем тумблер и пусковую кнопку. Собираем полученную электрическую цепь, подключаем блок питания и испытываем. Проверяем полученную цепь быстро, так как при долгой работе она выйдет из строя без использования воды.
2. Когда убедились в работе цепи можно подключать воду. Для этого берем подводку, один конец которой подключаем к крану с водой, а второй с теплообменной емкостью. Из второго отверстия ёмкости вода будет потребляться в охлажденном виде.
3. На данном этапе можно заполнить наш кулер водой и провести более серьезные испытания. Воду включайте не большим напором, этого будет достаточно для охлаждения жидкости и ее регулярного потребления.

Кулер практически готов, осталось придать ему более эстетичный вид и можно пользоваться на своем усмотрение.

Элемент Пельтье в руках домашнего мастера

Нужно сразу оговориться, самостоятельное изготавливание термоэлектрического элемента занятие по меньшей мере бессмысленное и никому не нужное. Если только изготавливающий не является учеником седьмого класса и не закрепляет таким образом, полученные на уроках физики, знания.

Гораздо проще купить новый термоэлектрический элемент в соответствующем магазине. Благо стоят они недорого и недостатка в выборе конкретной модели не наблюдается. А кроме того, что в них нечему ломаться или изнашиваться, любой термоэлемент, снятый со старого компьютера или автомобильного кондиционера, не будет отличаться по своим техническим характеристикам от нового.

Наибольшей популярностью пользуется модель термоэлемента: TEC1—12706. Размеры этого устройства 40 на 40 миллиметров. Состоит он из 127 термопар, соединённых между собою последовательно. Рассчитан на ток в 5 А, при напряжении цепи 12 В. Стоит такой элемент в среднем от 200 до 300 рублей. Но можно найти и за сто, или, вообще, за так, если снять со старого компьютера или какого другого ненужного устройства.

Изготовить с помощью такого элемента можно, как минимум два очень интересных и полезных в хозяйстве устройства.

Как сделать холодильник своими руками

Производство портативных холодильников, в частности, для машин целиком основано на эффекте Пельтье. Для изготовления подобного устройства в домашних условиях понадобиться:

• Термоэлемент марки TEC1—12706. Стоит 200 рублей в ближайшем магазине (специализированном).
• Радиатор и вентилятор. Снимаются с отслужившего своё старого компьютера.
• Контейнер. Любая ненужная ёмкость из пластика, металла или дерева. Снаружи и изнутри такая ёмкость оклеивается теплосберегающими пластинами из пенопласта или пенополистирола.

Термоэлектрический модуль встраивается в крышку контейнера. В этом случае поступление холода будет происходит сверху вниз, что приведёт к равномерному охлаждению ёмкости. Изнутри контейнера, в его крышку с помощью термопасты и крепёжных болтов прикрепляют радиатор.

Для того чтобы увеличить мощность будущего холодильного устройства, можно увеличить количество термоэлементов, до двух-трёх и более. В этом случае модули приклеиваются друг к другу, с соблюдением полярности. Иными словами, горячая сторона нижележащего элемента контактирует с холодной стороной вышележащего.

Снаружи на крышку крепится ещё один радиатор вместе с компьютерным кулером. В месте крепежа радиаторов должна быть хорошая термоизоляция между холодной — внутренней и горячей — внешней сторонами. Необходимо очень аккуратно стягивать верхний и нижний радиаторы крепёжными болтами, чтобы не треснули керамические пластины, располагающихся между ними термоэлементов.

Электричество подключается с помощью блока питания, который можно взять от старого компьютера.

Портативный термоэлектрогенератор

Такая мини-электростанция может очень выручить туриста или охотника, когда в лесу сядут батареи всех электронных гаджетов. Очень романтично в этой ситуации взять несколько сухих щепок и шишек, развести небольшой костерок и с его помощью зарядить разряженные аккумуляторы, а заодно и поесть приготовить. Именно это позволяет сделать портативный термогенератор, построенный на термоэлементе.

Для постройки этого чудо-девайса необходимо наличие портативной походной печки, работающей на любом виде топлива. В крайнем случае сгодится даже небольшая свечка или таблетка сухого спирта.

В печке разводят огонь, а снаружи с помощью термопасты к ней крепится термоэлектрический модуль. Посредством проводов он подключается к преобразователю напряжения.

Величина получаемого тока напрямую будет зависеть от разницы температур между холодной и горячей сторонами термоэлемента. Для эффективной работы необходима разница между холодной и горячей поверхностью как минимум в 100 градусов.

В этом случае необходимо понимать, что максимальная температура ограничена температурой плавления припоя, с помощью которого изготовлен сам модуль. Поэтому для подобных устройств используют специальные термомодули, которые изготавливают с помощью специального тугоплавкого припоя. В обычных модулях температура плавления припоя составляет 150 градусов. В модулях тугоплавких, припой начинает плавиться при температуре 300 градусов.

Полезные советы Схемы для подключения Принципы работы устройств Главные понятия Счетчики от Энергомера Меры предосторожности Лампы накаливания Видеоинструкции для мастера Проверка мультиметром

Плюсы и минусы применения ТЭМ

Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:

• сравнительно небольшие габариты;
• возможность работы и на охлаждение, и на нагревание системы;
• отсутствие движущихся частей, механических составляющих, подверженных износу.

В то же время ТЭМ обладают рядом недостатков, существенно сдерживающих их повсеместное практическое применение. Среди них следующие:

В USB-холодильнике также используется модуль Пельтье

• низкий КПД модулей;
• необходимость наличия источни- ка тока для их работы;
• большая потребляемая мощ- ность для достижения заметной разности температур и, как следствие, существенное тепло- выделение;
• ограниченные габариты и полезные характеристики.

Однако, невзирая на негативные характеристики модулей Пельтье, они нашли свое применение в ряде продуктов. ТЭМ выгодны в первую очередь там, где энергетическая эффективность охладителя некритична, чем меньше – тем лучше. Элементы служат для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах, позволяющих добиться заметного уменьшения теплового шума при длительных экспозициях. Модули Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с целью стабилизации длины волны их излучения. Возможно использование нескольких ТЭМ, составленных последовательно в виде каскадов (холодная сторона одного охлаждает горячую другого), благодаря чему реально достичь очень низких температур для устройств, обладающих малым тепловыделением. Элементы Пельтье – основа компактных холодильников, в первую очередь автомобильных. Их применяют и в миниатюрных сувенирах из области компьютерной периферии, и в производительных СО в качестве основных или вспомогательных компонентов. Именно о последнем варианте мы и поговорим более подробно.

Физические процессы в элементе Пельтье

Чтобы разобраться в том, что происходит в данном устройстве, необходимо погрузиться в сложность физических законов и математических выкладок. Простому обывателю в этом разобраться будет сложно, поэтому объясним все по-простому.

Все действие происходит на уровне атомной решетки материала. Поэтому для удобства объяснения заменим его любым газом, который состоит из фононов (это его частицы). Итак, температура газа зависит от нескольких показателей:

• температуры окружающей среды;
• от металла, а точнее, от его свойств.

Поэтому получаем в предположении, что металл представляет собой смесь фононного и электронного газа. Оба газа находятся в термодинамическом равновесии. При соприкосновении двух металлов с разной температурой происходит перемещение холодного электронного газа в теплый металл. Что и образует разность потенциалов.

Термоэлектрический эффект Пельтье

На границе контактов двух металлов, то есть на переходе, электроны забирают энергию у фононов и передают ее фононам другого металла. Если поменять полярность подключения, то процесс пойдет в обратную сторону. Перепад температур будет увеличиваться до тех пор, пока в металле есть свободные электроны с высоким потенциалом. Когда они закончатся, настанет своеобразное равновесие температур в обоих металлах. Вот так можно описать по-простому картину эффекта Пельтье.

Итак, из всех процессов, протекающих в элементе Пельтье, можно сделать вывод, что эффективность его работы зависит от точного подбора двух металлов со своими свойствами, от силы тока, который будет протекать через прибор, и от того, как быстро будет отводиться тепло из теплой зоны.

Эффект Зеебека [ править ]

Эффект Зеебека в термобатареи из железных и медных проводов

Термоэлектрическая схема состоит из материалов различных коэффициентов Зеебека (п — легированных и н-легированных полупроводников), выполнено в виде термоэлектрический генератора . Если нагрузочный резистор внизу заменить вольтметром , схема будет работать как термопара, чувствительная к температуре .

Эффект Зеебека — это электродвижущая сила (ЭДС), которая возникает в двух точках электропроводящего материала, когда между ними существует разница температур. ЭДС называется ЭДС Зеебека (или термо / термическая / термоэлектрическая ЭДС). Отношение между ЭДС и разностью температур — это коэффициент Зеебека. A термопара измеряет разность потенциалов поперек горячего и холодного конца в течение двух разнородных материалов. Эта разность потенциалов пропорциональна разнице температур между горячим и холодным концом. Впервые обнаружен в 1794 году итальянский ученый Алессандро Вольта , он назван в честь Балтийского немецкого физика Зеебек, которые в 1821 году независимо открыли его заново. Было замечено, что стрелка компаса будет отклоняться замкнутой петлей, образованной двумя разными металлами, соединенными в двух местах, с приложенной разницей температур между соединениями. Это произошло потому, что уровни энергии электронов смещались по-разному в разных металлах, создавая разность потенциалов между переходами, которая, в свою очередь, создавала электрический ток через провода и, следовательно, магнитное поле вокруг проводов. Зеебек не осознавал наличие электрического тока, поэтому назвал это явление «термомагнитным эффектом». Датский физик Ганс Кристиан Эрстед исправил упущение и ввел термин «термоэлектричество».

Эффект Зеебека является классическим примером электродвижущей силы (ЭДС) и приводит к измеряемым токам или напряжениям так же, как и любая другая ЭДС. Локальная плотность тока определяется выражением

Jзнак равноσ(-∇V+EЭДС),{\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma (- \ nabla V + \ mathbf {E} _ {\ text {emf}}),}

где — местное напряжение , и — местная проводимость . В общем, эффект Зеебека описывается локально созданием электродвижущего поля.V{\ displaystyle V}σ{\ displaystyle \ sigma}

EЭДСзнак равно-S∇Т,{\ displaystyle \ mathbf {E} _ {\ text {emf}} = — S \ nabla T,}

где — коэффициент Зеебека (также известный как термоЭДС), свойство местного материала, а — температурный градиент.S{\ displaystyle S}∇Т{\ displaystyle \ nabla T}

Коэффициенты Зеебека обычно меняются в зависимости от температуры и сильно зависят от состава проводника. Для обычных материалов при комнатной температуре коэффициент Зеебека может находиться в диапазоне от -100 мкВ / К до +1000 мкВ / К ( дополнительную информацию см. В статье о коэффициенте Зеебека ).

Если система достигает устойчивого состояния, в котором , то градиент напряжения задается просто ЭДС: . Это простое соотношение, которое не зависит от проводимости, используется в термопаре для измерения разницы температур; абсолютная температура может быть найдена путем выполнения измерения напряжения при известной эталонной температуре. Металл неизвестного состава можно классифицировать по его термоэлектрическому эффекту, если металлический зонд известного состава поддерживать при постоянной температуре и контактировать с неизвестным образцом, который локально нагревается до температуры зонда. Он используется в коммерческих целях для идентификации металлических сплавов. Последовательные термопары образуют термобатарею . Термоэлектрические генераторыJзнак равно{\ displaystyle \ mathbf {J} = 0}∇Vзнак равноSΔТ{\ Displaystyle \ набла V = S \ Delta T} используются для создания энергии от перепадов тепла.

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 ПельтеА – контакты для подключенияB – горячая поверхностьC – холодная сторонаD – медные проводникиE – полупроводник p-типаF – 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 ПельтьеA- 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

1. 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.
2. Количество термопар в элементе.
3. Величина номинального тока, в амперах.

Вот пример расшифровки маркировки элемента Пельтье

Пример расшифровки маркировки элемента Пельтье1- элемента Пельтье стандартного размера с 1 слоем элементов2 – содержит 127 термопар3 – 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:

• Q_max – 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
• I_max – ток, при котором перепад температур достигает своего максимума
• U_max – 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%.

Конструкции холодильников

Для усиления эффекта элементы Пельтье объединяются параллельно. При этом их мощности складываются. Для конструирования собственных холодильников нужно быть в курсе расчета теплопотерь через плоскостные конструкции. Созданы специальные калькуляторы, многие доступны онлайн.

Заниматься конструированием наугад невыгодно по очевидным причинам. А приятная новость в том, что элементы Пельтье значительно подешевели за последние годы. На Али-экспресс купите продукцию из Китая 60 Вт за 300 рублей. Не сложно убедиться, что за 3000 можно собрать холодильник. А какую он станет поддерживать температуру, зависит от конструкции, требующей расчёта.

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 ПельтеА — контакты для подключенияB — горячая поверхностьC — холодная сторонаD — медные проводникиE — полупроводник p-типаF — 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 ПельтьеA- 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.

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): – 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.