У 1834 році французький учений-фізик Жан Шарль Пельтьє, досліджуючи вплив електрики на провідники, виявив дуже цікавий ефект. Якщо пропускати струм через два різнорідних провідника, що знаходяться в безпосередній близькості один від одного, то один з цих провідників починає сильно грітися, а другий, навпаки, сильно охолоджуватися. Кількість виділеного і поглинається тепла, безпосередньо залежить від сили і напряму електричного струму. Якщо поміняти напрям струму, то поміняються місцями холодна і гаряча боку. Трохи пізніше цей феномен отримав назву ефекту Пельтьє і був благополучно забутий через практичну незатребуваність на той момент.
І лише через сто з гаком років, з розквітом напівпровідникової ери, з'явилася нагальна потреба в компактних, недорогих і ефективних охолоджувачах. Так, в 60-х роках 20 століття з'явилися перші напівпровідникові термоелектричні модулі, які отримали назву елементи Пельтьє.
Термічні елементи Пельтьє
В основі будь-якого термоелектричного модуля лежить той факт, що різні провідники мають різні рівні енергії електронів. Іншими словами, один провідник можна уявити як високоенергетичну область, другий провідник, як низькоенергетичну область. При контакті двох струмопровідних матеріалів, під час пропускання через них електричного струму, електрону з низькоенергетичної області необхідно перейти в високоенергетичну область.
Цього не станеться, якщо електрон не придбає необхідну кількість енергії. У момент поглинання цієї енергії електроном, відбувається охолодження місця контакту двох провідників. Якщо поміняти напрям протікання струму, виникне, навпаки, ефект нагрівання місця контакту.
Можна використовувати будь-які провідники, але цей ефект стає фізично помітним і значущим тільки в разі використання напівпровідників. Наприклад, при контактуванні металів, ефект Пельтьє настільки незначний, що практично непомітний на тлі омічного нагріву.
пристрій модуля
Термоелектричний модуль (ТЕМ), незалежно від свого розміру і місця застосування складається з різної кількості, так званих термопар. Термопара - це той самий цеглинка, з яких будується будь-ТЕМ. Вона складається з двох напівпровідників різняться типом провідності. Як відомо, існують два типи провідності p і n типу. Відповідно існує і два типи напівпровідників. Два цих різнорідних елемента з'єднуються в термопарі за допомогою мідного містка. Як правило напівпровідниками застосовують солі таких металів, як вісмут, телур, селен або сурма.
ТЕМ - сукупність подібних термопар, з'єднаних один з одним послідовно. Всі термопари розташовуються між двох керамічних пластин. Пластина Пельтьє. Пластини виготовлені з нітриду або оксиду алюмінію. Безпосередньо сама кількість термопар в одному елементі може варіювати в дуже широких межах, від кількох штук, до декількох сотень або тисяч.
Іншими словами, елементи Пельтьє можуть бути абсолютно будь-якої потужності, від сотих часток, до декількох сот або тисяч ват. Постійний струм послідовно проходить через всі термопари і в результаті верхня керамічна пластина охолоджується, а нижня, навпаки, гріється. Якщо поміняти напрям струму, то пластини поміняються місцями, верхня почне грітися, а нижня охолоджуватися.
В роботі елемента присутній одна особливість, яку активно використовують для посилення охолоджуючої ефективності цього пристосування. Як відомо, при пропущенні струму через елемент Пельтьє виникає різниця температур між поверхнею, що розігрівається і поверхнею охолоджується. Так ось, якщо ту поверхню, що активно нагрівається піддати примусовому охолодженню. Наприклад, за допомогою спеціального кулера, то це призведе до ще більш сильного охолодження поверхні, тобто тієї, що охолоджується. При цьому різниця температур з навколишнім повітрям може досягти декількох десятків градусів.
Гідності й недоліки
Як у будь-якого технічного пристрою, у термоелектричного модуля є свої переваги і свої недоліки:
Невеликі розміри. А якщо бути, точніше, ТЕМ може бути будь-якого розміру, від мікроскопічного, до гігантського.- Відсутність в конструкції рухомих елементів, що робить пристрій абсолютно безшумним в роботі.
- Відсутність в конструкції рідинних або газових наповнювачів, що робить пристрій гранично простим На пристрої так і в роботі.
- Залежно від напрямку струму, ТЕМ може бути як охолоджуючим елементом, так і нагріває.
- Основним недоліком ТЕМа є його низький коефіцієнт корисної дії, в порівнянні з холодильними установками компресорного типу, що працюють на фреоні.
Проблема підвищення ККД у ТЕМов впирається в нерозв'язну поки, технічну головоломку. Вільні електрони володіють, по суті, подвійною природою, що на практиці виявляється і вони одночасно є переносниками як електричного струму, так і теплової енергії. Як наслідок, високоефективний елемент Пельтьє повинен бути виготовлений з матеріалу, що володіє одночасно двома взаємовиключними властивостями. Матеріал цей повинен добре проводити електричний струм і погано проводити тепло. Поки такого матеріалу не існує в природі, але вчені активно працюють в цьому напрямку.
Технічні характеристики
Все термоелектричні модулі мають відповідні технічні характеристики:
Qmax - холодопродуктивність. Вона обчислюється виходячи з максимально допустимого струму і різниці температур між протилежними поверхнями. Величина вимірюється в Ватах.- DTmax - максимальний температурний перепад між поверхнями елемента. Вимірюється в градусах.
- Imax - допустима сила струму, яка необхідна для виникнення максимального температурного перепаду.
- Umax - максимально допустима напруга.
- Resistence - внутрішній опір пристрою.
- COP (coefficient of perfomance) - коефіцієнт ефективності. Це і є ККД елемента. Показує відношення охолоджуючої потужності, до споживаної. У найбільш просунутих моделей цей коефіцієнт трохи не дотягує до 0.5. У простіших не перевищує 0.2-0.3.
застосування ТЕМов
Незважаючи на серйозний недолік властивий всім без винятку елементам Пельтьє, а саме дуже низький ККД, ці пристрої знайшли досить широке застосування як в науці і техніці, так і в побуті.
Термоелектричні модулі є важливими елементами конструкції таких пристроїв, як:
Мобільні холодильники. Зокрема, автохолодильники.- Переносні Термогенератор. Для отримання електроенергії в важкодоступних місцях.
- Системи охолодження в сучасних комп'ютерах.
- Автомобільні кондиціонери.
- Кулери як для охолодження, так і для нагріву води.
- Осушувачі повітря.
- Лабораторні охолоджуючі інкубатори.
Елемент Пельтьє в руках домашнього майстра
Потрібно відразу обмовитися, самостійне ізготавліваніе термоелектричного елемента заняття щонайменше безглузде і нікому не потрібне. Якщо тільки виготовляє не є учнем сьомого класу і не закріплює таким чином, отримані на уроках фізики, знання.
Набагато простіше купити новий термоелектричний елемент у відповідному магазині. Благо стоять вони недорого і нестачі у виборі конкретної моделі не спостерігається. А крім того, що в них нема чому ламатися або зношуватися, будь термоелемент, знятий зі старого комп'ютера або автомобільного кондиціонера, не відрізнятиметься за своїми технічними характеристиками від нового.
Найбільшою популярністю користується модель термоелемента: TEC1-12706. Розміри цього пристрою 40 на 40 міліметрів. Складається він з 127 термопар, з'єднаних між собою послідовно. Розрахований на ток в 5 А, при напрузі ланцюга 12 В. Коштує такий елемент в середньому від 200 до 300 рублів. Але можна знайти і за сто, або, взагалі, за так, якщо зняти зі старого комп'ютера чи якогось іншого непотрібного пристрою.
Виготовити за допомогою такого елемента можна, як мінімум два дуже цікавих і корисних в господарстві пристрої.
Як зробити холодильник своїми руками
Виробництво портативних холодильників, зокрема, для машин цілком грунтується на ефекті Пельтьє. Для виготовлення подібного пристрою в домашніх умовах знадобитися:
- Термічні елементи марки TEC1-12706. Варто 200 рублів в найближчому магазині (спеціалізованому).
- Радіатор і вентилятор. Знімаються з відслужило своє старого комп'ютера.
- Контейнер. Будь-яка непотрібна ємність із пластику, металу або дерева. Зовні і зсередини така ємність оклеивается теплосберегающими пластинами з пінопласту або пінополістиролу.
Термоелектричний модуль вбудовується в кришку контейнера. У цьому випадку надходження холоду буде відбувається зверху вниз, що призведе до рівномірного охолодження ємності. Зсередини контейнера, в його кришку за допомогою термопасти і кріпильних болтів прикріплюють радіатор.
Для того щоб збільшити потужність майбутнього холодильного пристрою, можна збільшити кількість термоелементів, до двох-трьох і більше. В цьому випадку модулі приклеюються один до одного, з дотриманням полярності. Іншими словами, гаряча сторона нижчого елементу контактує з холодною стороною вишележащего.
Зовні на кришку кріпиться ще один радіатор разом з комп'ютерним кулером. У місці кріплення радіаторів повинна бути хороша термоізоляція між холодної - внутрішньої і гарячої - зовнішньої сторонами. Необхідно дуже акуратно стягувати верхній і нижній радіатори кріпильними болтами, щоб не тріснули керамічні пластини, що розташовуються між ними термоелементів.
Електрика підключається за допомогою блоку живлення, який можна взяти від старого комп'ютера.
портативний термоелектрогенератор
Така міні-електростанція може дуже виручити туриста або мисливця, коли в лісі сядуть батареї всіх електронних гаджетів. Дуже романтично в цій ситуації взяти кілька сухих трісок і шишок, розвести невелике багаття і з його допомогою зарядити розряджені акумулятори, а заодно і поїсти приготувати. Саме це дозволяє зробити портативний термогенератор, побудований на термоелементі.
Для побудови цього чудо-девайса необхідна наявність портативної похідної грубки, що працює на будь-якому виді палива. В крайньому випадку згодиться навіть невелика свічка або таблетка сухого спирту.
У грубці розводять вогонь, а зовні за допомогою термопасти до неї кріпиться термоелектричний модуль. За допомогою проводів він підключається до перетворювача напруги.
Величина одержуваного струму безпосередньо залежатиме від різниці температур між холодною і гарячою сторонами термоелемента. Для ефективної роботи необхідна різниця між холодною і гарячою поверхнею як мінімум в 100 градусів.
В цьому випадку необхідно розуміти, що максимальна температура обмежена температурою плавлення припою, за допомогою якого виготовлений сам модуль. Тому для подібних пристроїв використовують спеціальні термомодуля, які виготовляють за допомогою спеціального тугоплавкого припою. У звичайних модулях температура плавлення припою становить 150 градусів. У модулях тугоплавких, припой починає плавитися при температурі 300 градусів.