Элемент Пельтье, принцип действия

Элементы Пельтье – это электрические или тепловые преобразователи, состоящие из нескольких пар (иногда одной пары) полупроводников разных типов (n и p); элементы Пельтье соединены металлическими стержнями (обычно медными). На практике это устройство создает разницу температур на разных концах поверхности при протекании электрического тока.

Содержание

Элемент Пельтье – это электрический или тепловой преобразователь, состоящий из нескольких пар (в некоторых случаях одной пары) полупроводников разных типов (n и p), соединенных металлическими стержнями (обычно медными). На практике это устройство создает разницу температур на разных концах поверхности при протекании энергии электрического тока.

Одним из самых простых вариантов этого устройства Пельтье, используемых на практике, является TEC1-12706, показанный на рисунке 1.

Принцип работы элемента Пельтье основан на эффекте Пельтье, который представляет собой передачу энергии от одного проводника к другому путем пропускания электрического тока через спай двух различных проводников, при этом в спае выделяется или поглощается тепло.

Элемент Пельтье – как он работает, как его проверить и подключить

Элемент Пельтье основан на эффекте Пельтье: когда электрический ток проходит через спай двух разнородных проводников, энергия передается от одного спая к другому. Тепло выделяется или поглощается на стыке.

Количество тепла, выделяемого или поглощаемого в ходе этого процесса, будет пропорционально силе тока, времени протекания и коэффициенту Пельтье, характерному для пары спаянных проводников. В свою очередь, коэффициент Пельтье равен тепловой ЭДС пары, умноженной на абсолютную температуру соединения в текущий момент времени.

А поскольку эффект Пельтье наиболее выражен в полупроводниках, это свойство используется в популярных и недорогих полупроводниковых элементах Пельтье. Тепло поглощается на одной стороне элемента Пельтье и отдается на другой. В следующем разделе мы рассмотрим это явление более подробно.

Эффект Пельтье был открыт в 1834 году французским физиком Жаном Пельтье, а четыре года спустя суть явления была исследована российским физиком Эмилем Ленцем, который продемонстрировал, что если висмутовые и сурьмяные стержни поместить в тесный контакт, капнуть на контакт водой, а затем пропустить через спай постоянный ток, то при первоначальном направлении тока лед превратится в лед, а при обратном направлении тока лед быстро растает.

В своем эксперименте Ленц четко показал, что тепло Пельтье поглощается или выделяется в зависимости от направления тока, протекающего через спай.

Ниже приведена таблица коэффициентов Пельтье для трех распространенных пар металлов. Кстати, эффект, противоположный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека (когда спай замкнутой цепи нагревается или охлаждается, в этой цепи возникает электрический ток).

Почему же возникает эффект Пельтье? Это происходит потому, что в месте контакта двух веществ возникает контактная разность потенциалов, которая создает между ними контактное электрическое поле.

Если через контакт пропускается электрический ток, это поле будет помогать или препятствовать протеканию тока. Поэтому, если ток направлен против вектора напряженности поля контакта, источник приложенного ЭДС должен совершить работу, а энергия источника просто высвобождается в точке контакта, что приведет к ее нагреву.

Однако если ток источника направлен вдоль контактного поля, он будет дополнительно поддерживаться внутренним электрическим полем, и поле будет совершать дополнительную работу по перемещению зарядов. Теперь эта энергия отбирается у материи, что фактически приводит к охлаждению спая.

Итак, теперь, когда мы знаем, что элементы Пельтье используют пары полупроводников, какой процесс происходит в полупроводниках?

Все очень просто. Эти полупроводники различаются энергетическими уровнями электронов в зоне проводимости. Когда электрон проходит через точку контакта между этими материалами, он приобретает энергию, которая позволяет ему перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника в паре.

Когда электрон поглощает эту энергию, точка перехода полупроводника охлаждается. Когда ток течет в обратном направлении, точка перехода полупроводника нагревается в дополнение к обычному джоулеву теплу. Если бы в элементах Пельтье вместо полупроводников использовались чистые металлы, тепловой эффект был бы настолько мал, что его значительно перевешивал бы омический нагрев.

В настоящем инверторе Пельтье, таком как TEC1-12706, несколько параллельных пластин теллурида висмута и твердого раствора кремния и германия помещены между двумя керамическими подложками и спаяны вместе в коническую цепочку. Эти пары полупроводников n-типа и p-типа соединены проводящими перемычками, которые контактируют с керамической подложкой.

Каждая пара маленьких полупроводниковых параллелограммов образует контакт, который проводит ток от полупроводника n-типа к полупроводнику p-типа на одной стороне преобразователя Пельтье и от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа на другой стороне преобразователя.

Когда ток проходит через все эти параллелограммы, соединенные последовательно, все контакты с одной стороны только охлаждаются, а все контакты с другой стороны только нагреваются. При изменении полярности источника стороны меняются ролями.

Элемент Пельтье или термоэлектрический преобразователь Пельтье работает по этому принципу, когда тепло отбирается с одной стороны изделия и передается на противоположную сторону, создавая разницу температур между двумя сторонами элемента.

Можно даже дополнительно охлаждать нагретую сторону элемента Пельтье с помощью радиатора с вентилятором, чтобы температура холодной стороны была еще ниже. В общедоступных элементах Пельтье разница температур может достигать примерно 69 °C.

Для проверки работоспособности элемента Пельтье достаточно миниатюрной батарейки. Красный провод ячейки подключается к положительному полюсу источника питания, черный – к отрицательному. Если ячейка неисправна, она будет нагреваться с одной стороны и остывать с другой, вы можете почувствовать это пальцами. Сопротивление типичного элемента Пельтье составляет порядка нескольких Ом или трех Ом.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Чтобы применить элемент Пельтье на практике, исследователи провели серию экспериментов, которые показали, что увеличение теплоотдачи достигается за счет увеличения количества спаев между двумя материалами. Чем больше количество узлов, тем больше эффект. Чаще всего в нашей жизни такой элемент используется для охлаждения электронных устройств, понижая температуру в микропроцессорах.

Не секрет, что электронные устройства нагреваются во время работы. Нагрев негативно влияет на рабочий процесс, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в их корпус встраиваются специальные элементы, названные в честь изобретателя из Франции – Пельтье. Это небольшой элемент, который может охлаждать радиочастотные компоненты на печатных платах устройств. Он легко устанавливается своими руками и может быть вмонтирован в схему с помощью простого паяльника.

1 – Керамический изолятор
2 – проводник N-типа
3 – провод типа P
4 – Медный провод

В первые годы никто не интересовался охлаждением, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, когда электронные устройства начали использоваться в быту и промышленности, стали применяться миниатюрные элементы Пельтье, тем самым напоминая французскому изобретателю о его работе.

Принцип работы

Чтобы понять, как работает элемент, основанный на изобретении Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах, которые в нем задействованы. Эффект заключается в сочетании двух материалов с проводящими свойствами, которые имеют разные энергии электронов в области проводимости. Когда к зоне связи подключается электрический ток, электроны приобретают высокую энергию для перемещения в область более высокой проводимости другого полупроводника. По мере поглощения энергии проводники охлаждаются. Когда ток течет в противоположном направлении, возникает обычный эффект нагрева контактов.

Вся работа выполняется на уровне решетки атомов материала. Чтобы лучше понять эту работу, давайте представим себе газ, состоящий из частиц – фононов. Температура газа зависит от параметров:

Свойства металла.
Температура среды.

Мы предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Когда два металла разной температуры вступают в контакт, холодный электронный газ перемещается в теплый металл. Создается разность потенциалов.

В точке контакта электроны поглощают фононную энергию и передают ее другому металлу посредством фононов. Если полюса источника тока поменять местами, то весь процесс будет обратным. Разница температур будет увеличиваться до тех пор, пока доступны свободные электроны с высоким потенциалом. В их отсутствие в металлах будет наблюдаться температурное равновесие.

Если на одной стороне пластины Пельтье установлен хороший теплоотвод, то на другой стороне пластины температура будет ниже. Она будет на несколько десятков градусов ниже, чем окружающий воздух. Чем выше текущее значение, тем сильнее будет охлаждение. Если поменять полярность тока, холодная и горячая стороны поменяются местами.

Если элемент Пельтье соединен с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Число может быть любым, оно зависит от требуемой мощности охлаждения.

Эффективность эффекта Пельтье зависит от выбора свойств металла, силы тока, протекающего через устройство, и скорости теплоотдачи.

Сфера применения

Для того чтобы применить элемент Пельтье на практике, исследователи провели ряд экспериментов, показавших, что увеличение теплоотдачи достигается за счет увеличения количества спаев между двумя материалами. Чем больше количество перекрестков, тем больше эффект. Все чаще в нашей жизни такой элемент используется для охлаждения электронных устройств, понижая температуру в микросхемах.

Вот некоторые из их применений:

Приборы ночного видения.
Цифровые камеры, коммуникационные устройства, микросхемы, требующие высококачественного охлаждения для лучшего эффекта изображения.
Телескопы с охлаждением.
Кондиционеры.
Системы охлаждения прецизионных часов для кварцевых электроосцилляторов.
Холодильники.
Кулеры для воды.
Автомобильные охладители.
Графические карты.

Элементы Пельтье часто используются в холодильных установках, системах кондиционирования воздуха. Элементы Пельтье могут достигать относительно низких температур, что открывает возможность их использования для охлаждения более высокотемпературного оборудования.

В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, которые действуют как охладители. Элементы Пельтье не издают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их преимуществ. Эта технология стала популярной благодаря своей мощной нагревательной способности. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют небольшие размеры, а радиаторы поддерживают определенную температуру в течение длительного времени.

Преимуществом ячеек является их длительный срок службы, поскольку они выполнены в виде монолитного корпуса, отказы маловероятны. Простая конструкция популярного, широко используемого типа состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами и керамической изоляции.

Это небольшой список приложений. Она распространяется на бытовую технику, компьютеры, автомобили. Стоит отметить использование элементов Пельтье в охлаждении высокопроизводительных микропроцессоров. Ранее в них были установлены только вентиляторы. Теперь, когда установлен модуль с элементами Пельтье, шум устройств значительно снижается.

Будут ли холодильные контуры в обычных холодильниках заменены на контуры, использующие эффект Пельтье? В настоящее время это маловероятно, поскольку эти элементы имеют низкую эффективность. Их стоимость также не позволяет использовать их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, как далеко будет развиваться это направление. В настоящее время эксперименты проводятся с твердыми растворами, схожими по структуре и свойствам. При их использовании цена охлаждающего модуля может быть снижена.

Обратный эффект элементов Пельтье

Этот тип технологии имеет специальную функцию с интересными фактами. Он основан на эффекте генерации электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит в качестве обратного генератора электроэнергии.

Пока такие электрогенераторы существуют чисто теоретически, но можно надеяться на будущие разработки в этой области. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.

Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, о чем свидетельствуют отчеты и эксперименты исследователей и ученых. В будущем бытовая и электронная техника будет обладать превосходными инновационными возможностями. Холодильники станут такими же бесшумными, как компьютеры. Тем временем модули Пельтье встраиваются в различные системы для охлаждения радиодеталей.

Преимущества и недостатки

Преимущества элементов Пельтье заключаются в следующем:

Компактный корпус элемента, позволяет устанавливать его на плату радиоэлемента.
Отсутствие движущихся и трущихся частей, что увеличивает срок службы.
Позволяет соединять несколько элементов в один каскад, в схеме, которая снижает температуру очень горячих деталей.
При изменении полярности напряжения питания элемент будет работать в обратном порядке, т.е. стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.

Недостатки следующие:

Недостаточный коэффициент мощности, влияющий на увеличение входного тока для достижения требуемой разницы температур.
Довольно сложный отвод тепла от охлаждающей поверхности.

Как изготовить элементы Пельтье для холодильника

Изготовить элементы Пельтье самостоятельно быстро и просто. Первым шагом является определение материала, из которого изготовлена пластина. Возьмите пластины элементов из прочной керамики, подготовьте проводники в количестве более 20 штук, чтобы обеспечить наибольшую разницу температур. Если количество элементов достаточно, производительность холодильника значительно возрастет.

Вместимость используемого холодильника играет большую роль. Если он работает с жидким фреоном, то проблем с мощностью не будет. Пластины элементов устанавливаются рядом с испарителем, смонтированным вместе с двигателем. Для установки потребуются некоторые уплотнения и инструменты. Это обеспечит быстрое охлаждение нижней части устройства.

Линии должны быть тщательно изолированы и только после этого подключены к компрессору. После завершения установки проверьте напряжение с помощью мультиметра. В случае неисправности (например, короткого замыкания) термоэлектрический модуль отключается.

Другие области применения термоэлектрических модулей

Эффект модуля Пельтье используется и сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда полезна там, где требуется тихий и быстрый теплообмен.

Основными областями применения модулей являются:

Охлаждение микропроцессора.
Двигатели внутреннего сгорания производят выхлопные газы, которые исследователи используют для выработки вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Выработанная таким образом энергия возвращается в двигатель в виде электричества. Таким образом, достигается экономия топлива.
В бытовых приборах, которые работают как нагревательные или охлаждающие устройства.

Радиатор может превратиться в нагреватель, а холодильник – в термокожух, если поменять полярность постоянного тока. Это известно как обратимый эффект.

Этот принцип используется в рекуператорах. Он состоит из коробки с двумя камерами. Они общаются друг с другом с помощью вентилятора. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, за счет энергии, которая извлекается из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на обогрев помещения.

У меня нет опыта использования элемента Пельтье в качестве генератора тепла. Однако я думаю, что ваша задача будет трудновыполнимой. Это сложная конструкция, обладающая приличной мощностью в 25 Вт. Элементы Пельтье генерируют постоянный ток. Вам придется преобразовать его в переменный ток для питания двигателя насоса. Попробуйте открыть тему на интернет-форуме. Может ли кто-нибудь поделиться своим опытом.

64 Комментариев на ” Элемент Пельтье TEC1-12706. характеристики, применение, условия эксплуатации “

Можно ли запитать их последовательно?

Это возможно, если температуры поверхностей одинаковы, т.е. если горячая и холодная стороны имеют один и тот же теплоотвод.

Увеличит ли эффект охлаждения горячей стороны и улучшения экстракции при низких температурах

Не могут иметь разное внутреннее сопротивление

И будут ли работать два элемента, поставленные друг на друга, если холодная сторона нижнего элемента находится на теплоотводе, горячая сторона будет холодной стороной верхнего элемента, а горячая сторона верхнего элемента будет теплоотводом. Соедините элементы хорошо и параллельно.

Я думаю, что это неправильное решение. Температура поверхности элементов будет разной, что означает разное сопротивление и разное распределение тока между элементами Пельтье.

Вы соединяете их последовательно – и затем вам нужно последовательно подать на них питание. В противном случае текущее распределение будет на самом деле другим.

Я не знаю, ткните в него пальцем, и он не сгорит.

Будет, почему бы и нет, но вам придется повозиться, это не так просто сделать.
Такое каскадное соединение модулей используется в астрономии – для охлаждения матриц ПЗС-камер, снижения теплового шума и повышения четкости изображения.

И не со всем я могу согласиться. Я лично достиг такого низкого уровня – 42.188 градусов С на модуле Пельтье и могу это доказать (я измерял тот же DS18B20 через USB), у меня есть видео эксперимента. Я также рассчитал КПД этого модуля на основе своих измерений и экспериментов, и мои результаты отличаются от ваших (не знаю, может ли это быть ошибкой). Если вас интересуют мои результаты, я могу прислать вам ссылку на мое видео на youtube.
И еще один момент, вы пишете, что нельзя использовать ШИМ модуляцию, но в другой статье вы сделали ШИМ контроллер по этому принципу. Да, я понимаю, что емкость и индуктивность сглаживают эти пульсации, но я готов поспорить, что осциллограф покажет грехи этой схемы.

Я нахожусь при температуре минус 41,625 градусов Цельсия.

Можно ли использовать этот компонент для нагрева деталей при низких температурах? Будет ли это эффективно?

На мой взгляд, дешевле и проще использовать обычные резистивные нагреватели. Например, нихромовые нагреватели.

Как я могу использовать его для газового котла дома для питания циркуляционного насоса 220В? мощность насоса составляет 25 Вт.

Какой элемент пельтье лучше использовать для получения 220В?

У меня нет опыта использования элемента Пельтье в качестве генератора тепла. Но я думаю, что ваша задача будет сложной. Сложная конструкция, приличная мощность 25 Вт. Элементы Пельтье генерируют постоянный ток. Вам придется преобразовать его в переменный ток для питания двигателя насоса. Попробуйте открыть тему на форуме сайта. Может быть, кто-то поделится своим опытом.

Циркуляционному насосу также необходимо переменное напряжение….
модули Пельтье – инвертор DC/AC – насос
Единственное, он будет стоить намного дороже, чем бензиновый генератор.

И как и возможно ли вообще совместить 20 из этих элементов? Радиаторы для одной и другой стороны будут одинаковыми. Можно ли установить t° на разных сторонах, или разница в t° постоянна?

Вероятно, их можно комбинировать. Температура должна быть отрегулирована с одной стороны. Если это радиатор, то с холодной стороны, если радиатор, то с горячей стороны.

Прежде всего, спасибо за эту статью. Полезная информация. Пожалуйста, подскажите, в каком направлении мне двигаться. Я хочу построить автомобильный “кондиционер” на двух последовательно соединенных TEC1-12730. Приклеить простой кулер для холодных частей и водоблок для горячих частей с трубками, насосом и удаленным теплоотводом….Как обеспечить стабилизированное питание “дешево и просто”…? Основным источником питания является 12-вольтовый автомобильный аккумулятор, свинцовый или гелиевый…

Здравствуйте!
Я думаю, что в первую очередь вам нужно проверить дизайн. Соберите макет проекта, подключите источник питания 12 В к элементам Пельтье и проверьте эффективность всей системы. Только после этого подумайте о контроллере и системе питания.
Мне кажется, что автомобильный кондиционер должен быть достаточно мощным, и элементы Пельтье в нем будут неэффективны. Но, возможно, я ошибаюсь.

Хорошего дня! Именно потому, что я хочу начать с системы, я использовал фразу “дешево и просто”….. заявленная мощность охлаждения моих TEC составляет 336 Вт каждый, я беру их два последовательно, я получаю максимальный ток потребления 60A…. Самое простое, что я могу сделать, это вытащить аккумулятор из машины и запитать его через что-то вроде стабилизатора….. к сожалению, я полный дилетант в радиотехнике…. Пожалуйста, подскажите, какой блок питания мне следует искать в нижнем ценовом диапазоне…. Если учесть, что стоимость китайского TEC невелика, то вопрос срока службы вторичен… …. Буду очень благодарна:)

Здравствуйте!
Игорь, 60 А – это очень большой ток. Ваш кондиционер немедленно разрядит аккумулятор или перегрузит электрическую сеть автомобиля. Я говорю о режиме работы. Такие приводы есть, но они дорогие. Проверьте состояние батареи.

Ваши модули имеют мощность 30 Вт каждый, два вместе – 60 Вт. Я переделал радиатор автомобиля для лучшего охлаждения. Я удалил модуль TEC1-127050, и потребляемая мощность кулера составила 60 Вт. Я установил на него модуль мощностью 100 Вт и усилил нагнетатели. Холодильник теперь потребляет 10 А. Вот. Последние две цифры на маркировке – это ватты.

Владимир, какой компонент вы использовали вместо 12705? Модернизировали ли вы электрическую цепь устройства?
У меня такая же проблема, я хочу заменить элемент. У меня есть 12706, и я хотел бы добавить элемент мощностью 100 Вт и улучшить воздушный поток.
Пожалуйста, поделитесь своим опытом. Пожалуйста, скиньте мне свой e-mail, если сможете.

Я заменил TEC1-12705 в своем холодильнике на TEC1-12710 для улучшения охлаждения. Ничего не работает. Напряжение от 15,1 до 17,4, но ток выше 5 ампер не поступал. Соответственно, разница температур оставалась на уровне 10 C. При 17 В температура горячего радиатора начинает подниматься до 50 С, что может разрушить компонент, поэтому я не стал включать его надолго в этом режиме. Я думаю, что без замены радиаторов здесь не обойтись. Однако на радиаторах с такой же температурой ток все равно не превышал 5А. Это не имеет смысла для меня.

Идея использования модулей Пельтье в автомобильных кондиционерах очень распространена и на других сайтах. Однако на практике это практически невозможно при “традиционном” расположении радиаторов. Вас прельщает заявленная мощность охлаждения >300 Вт, но вы забыли (а может, и не знали?), что это значение рассчитывается только для разницы температур =0°C между холодной и горячей сторонами модуля! В реальном прототипе кондиционера, при разумных условиях теплоотдачи с обеих сторон, разница составит более 50°C. В этом случае разделите число >300 Вт на 4, или даже на 5 – это фактическая холодопроизводительность, которой совершенно недостаточно для работы агрегата, и электросеть будет перегружена. Если вы хотите самостоятельно собрать кондиционер питания для своего автомобиля, обратите внимание на комплекты кондиционеров на базе микроинверторов. При минимальных размерах и потребляемом токе 200 Вт охладители и их охлаждающая способность при увеличении разницы температур не падают так катастрофически, как в случае модулей Пельтье.

Эдуард, доброе утро! Вы пишете о недопустимых пульсациях напряжения питания свыше 5%, при которых эффективность резко падает. С чем это связано? Вы не привели никаких аргументов по этому поводу, и в документации об этом тоже ничего нет. Эта информация взята из каких-то официальных источников, или вы сделали эти выводы на основе собственных тестов? Спасибо за очень интересные статьи, кое-что узнал для себя, особенно как программировать распределенные задачи с помощью arduino. Я также собираюсь повторить вашу работу с Пельтье, у меня давно была такая идея, но я так и не смог до нее дойти. Я намерен сделать климатическую камеру для созревания сыра, колбас, пива, с тремя или четырьмя независимыми зонами. Очевидно, что для каждой зоны придется устанавливать отдельный элемент Пельтье и контроллер, поскольку в каждой зоне должна быть своя температура.

Я написал эту статью очень давно. У меня нет большого опыта работы с элементами Пельтье. Большую часть информации я взял с сайтов производителей модулей Пельтье. Я уже не помню источников. Был какой-то сайт национального производителя модулей. Были приведены параметры в отношении рабочих циклов. Я нашел ссылки на иностранных производителей на каком-то форуме. В Интернете не так много информации, но вы можете собрать ее в мгновение ока.

Эта информация о 5% пульсации бродит по интернету и даже в статьях производителей, но сами производители (например, cryotherm) продают контроллеры Пельтье на чистом ШИМ без какого-либо (. ) сглаживания пульсаций.
Я много работал в различных компаниях, где разрабатывал устройства с термостатами Пельтье с высокой точностью контроля (для аналитической биохимии). В свое время я участвовал в испытаниях десятка модулей от 4 производителей. SO:
1) Пельтье стареет только от ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ напряжений во время цикла, а не от электрических напряжений. Это означает, что частота включения/выключения должна быть достаточно низкой, чтобы не быть заметной за тепловой инерцией модуля.
2) ШИМ не влияет на срок службы модуля, если его частота >5 Гц. При более низких частотах эффект старения увеличивается, поскольку модуль начинает подвергаться термомеханическому циклированию. Выше примерно 5 КГц в полупроводнике могут возникнуть емкостные явления, и этот показатель также не следует превышать. На этих частотах все более или менее одинаково – эффективность и срок службы.
3) Действительно, эффективная тепловая эффективность примерно на 20% выше для модуля, питающегося от 12 В постоянного тока, по сравнению с модулем, питающимся от 12 В постоянного тока с частотой переключения 50%. Это согласуется с теорией физических процессов в модуле. Это можно легко понять, проанализировав графики эффективности охлаждения модуля в зависимости от напряжения питания или тока. Если это невозможно, не нужно тратить время, а просто используйте выходы.
3) В очень жестких термомеханических циклах, когда элемент используется и как охладитель, и как нагреватель с максимальной обратной полярностью от максимального напряжения до максимальной температуры поверхности, срок службы элемента может достигать 1000 таких циклов – одна из их керамических поверхностей не припаяна к полупроводникам, а приклеена. Они специально разработаны для езды на велосипеде. Для такого применения следует спросить производителей о модулях с приклеенной холодной плитой. Однако их тепловая эффективность составляет 15% … На 30% ниже, чем у аналогичных паяных модулей. А цена может быть в разы выше.

Общая мощность 4 TEM (планируется использовать две платы) составляет более 210 Вт, что с учетом базового пассивного радиатора должно обеспечить охлаждение процессора мощностью 45 Вт даже при редком включении TEM.

Эффекту Пельтье 175 лет

Жан-Шарль-Атаназ Пельтье (1785 – 1845)
Ряд научных открытий в “великое десятилетие” начала 19 века заложил основу для освоения термоэлектричества, безусловно, наиболее перспективного сектора энергетики будущего. Отрадно, что научные направления в этой области развиваются, и российские ученые находятся в авангарде этих исследований.

История открытия

В начале XVIII века основные научные направления и теории только формировались, а главной движущей силой были всевозможные эксперименты, проводимые настоящими энтузиастами, чаще всего в домашних условиях и на самодельных приборах. И преданность этих людей высоко ценится, а их имена по праву вошли в историю.

Сразу следует сказать, что Жан Атанас Пельтье не имеет никакого отношения к современному термоэлектрическому модулю (ТЭМ). В 1834 году. (1770-1831) открыл явление, противоположное эффекту Зеебека, который был открыт в 1821 году, причем оба автора открытия не понимали природы явления, а также того, что оно одного порядка.

Что же открыли Сибек и Пельтье о термоэлектричестве?
Сибек обнаружил, что если соединить концы двух проводников из разных металлов и нагреть соединение, то на свободных концах проводников возникает разность потенциалов, которая зависит от разности температур между “холодным” и “горячим” соединениями и используемых металлов. Точнее, он обнаружил появление магнитного поля в замкнутом контуре при нагревании, но это поле как раз и указывает на наличие тока в электрической цепи. Изменение нагрева спая на его охлаждение (относительно “свободных” концов) меняет знак ЭДС. Также было обнаружено, что даже при нагревании соединения некоторые комбинации металлов дают положительный знак ЭМП, а другие – отрицательный.

В таком устройстве легко узнать современную термопару, которая широко и повсеместно используется для измерения температуры. Однако официальным изобретателем термопары (в 1830 году) считается профессор Леопольд Нобили из Флорентийского музея.

ЭДС, генерируемая термопарой, сегодня называется термоэлектрической, хотя сам Себек до конца своих дней был против того, чтобы интерпретировать открытое им явление как
Открытое им явление является термоэлектрическим, ошибочно настаивая на том, что первопричиной является образование магнитного поля при нагревании.

Сибека можно отнести к категории “профессиональных” физиков, поскольку на его счету еще несколько открытий в различных областях. Но не все лавры достаются первооткрывателям. Например, знаменитый эффект Доплера, “открытый” в 1842 году Кристианом Доплером (через 11 лет после смерти Сибека), был описан Сибеком.

Некоторые источники информации об эффекте Пельтье называют Пельтье часовщиком. Это абсолютно неверная интерпретация фактов, поскольку, начав работать в часовой мастерской в возрасте 15 лет, к 21 году он уже открыл собственную мастерскую в Париже и в том же 1806 году женился на Милли Дюфон. А за 20 лет до интересующего нас открытия Пельтье, благодаря родословной жены, получил небольшое наследство, которое позволило ему полностью отказаться от необходимости зарабатывать хлеб насущный и посвятить все свое время любимому занятию – экспериментальной физике, анатомии, метеорологии и некоторым другим отраслям естествознания.

В одном из своих экспериментов Пельтье обнаружил, что ток, протекающий через спай из разных металлов, создает разницу температур между спаем и свободными концами проводников. В то время как нагрев проводников под действием тока был вполне понятен в то время (закон Джоуля), охлаждение их ниже температуры окружающей среды казалось чудом. Однако чудо и то, что Пельтье смог воспринять эту разницу на паре металлов, поскольку она не могла превышать нескольких градусов. Как и Сибек, Пельтье так и не смог понять или объяснить происходящее.

Кстати, сегодня без мультиметра и заводских электрических компонентов или источников питания мало кто, даже вооруженный знаниями и описаниями термоэлектрических эффектов, сможет повторить эксперимент Пельтье 175 лет назад.

Но наука двигалась вперед, и вскоре появилась теория, описывающая термоэлектрические эффекты (Ленц) и некоторые недостающие звенья (Томсон, более известный как лорд Кельвин). В начале 19 века немецкий инженер Альтенкирх разработал теорию и ввел понятия коэффициента охлаждения и Z-эффективности, показав, что эффект Пельтье на стыках металлов из-за достижимой разницы температур всего в несколько градусов не подходит для практического использования. Лишь несколько десятилетий спустя, в основном благодаря усилиям ученого А. Иоффе и разработанной им теории твердых растворов, были получены теоретические и практические результаты, давшие толчок к широкому практическому применению эффекта Пельтье.

В дальнейшем термоэлектрические модули, использующие эффект Пельтье, будут называться ТЭМ, в конкретном контексте под это определение могут подходить и другие устройства, использующие термоэлектрические принципы, но термоэлектрические генераторы обычно обозначаются аббревиатурой ТЭГ.

Теоретические основы эффекта Пельтье

Из школьной физики мы знаем, что ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Под заряженными частицами обычно понимаются свободные электроны, а упорядочение создается путем подключения к источнику электродвижущей силы, которая изменяет хаотическое тепловое движение (броуновское движение) электронов на более разумное, подобное человеческому, движение. Однако броуновское движение не заканчивается с появлением электрического тока. Лучшими проводниками электричества при комнатной температуре являются металлы.

В школе мы также узнали о диэлектриках – веществах, которые плохо проводят электричество. Это не означает, что в диэлектриках нет свободных электронов – в кубическом сантиметре даже самых лучших диэлектриков их могут быть сотни миллиардов! Однако этого недостаточно для проведения тока. Вещество становится проводником при увеличении концентрации носителей в тысячу раз; такой проводимостью обладают полупроводники, увеличивая число носителей на несколько порядков, мы получаем полуметаллы (высокодопированные полупроводники, т.е. твердые растворы), дальнейшее увеличение концентрации носителей характеризует настоящие проводники – металлы.

Вспомнив эти основы, мы готовы к критерию эффективности Z термоэлектриков по Альтенкирху, где также используется термин “коэффициент качества”:

Z = α²σ / κгде

α – коэффициент термоэлектричества,
σ – удельная электропроводность,
κ – удельная теплопроводность, которая складывается из теплопроводностей кристаллической решетки и электронов.

Тепловая ЭДС i определяет энергию, которую электрон “перекачивает” через границу раздела двух различных материалов. Чтобы передача энергии была эффективной, необходима высокая проводимость материала (или низкое удельное сопротивление). ρ = 1 / σ) и низкой теплопроводностью, так что кристаллическая решетка не взаимодействует с электронами (взаимодействие = обмен энергией).

Выбор вещества в качестве термоэлектрика, в котором все три параметра сочетаются с требуемыми свойствами, оказался нетривиальной задачей. В начале девятнадцатого века были доступны только металлы, которые не отличались высоким качеством и не позволяли получить практическую пользу от эффекта термоэлектричества, за исключением, возможно, использования термопар для целей измерения.

Другими словами, металлы имеют много свободных электронов, но энергия, переносимая ими, низка, что дает в целом плохой эффект. В диэлектриках переносимая энергия может быть большой, но количество переносимой энергии относительно мало, что также не обеспечивает желаемого эффекта. Золотую середину нужно было найти или создать искусственно. Материалы с необходимыми свойствами были получены в середине 20-го века, в основном благодаря усилиям А. Иоффе. Это были полуметаллы, например, псевдобинарные непрерывные твердые растворы на основе теллуридов висмута или сурьмы, широко используемые сегодня в ТЭМ с рабочей температурой, близкой к комнатной. Твердые растворы, незначительно уменьшая компонент α²σ по отношению к отдельным компонентам, снижают теплопроводность кристаллической решетки в несколько раз, тем самым увеличивая конечный коэффициент качества термоэлектрика.

В популярной литературе термин “полуметаллы” используется редко и заменяется термином “полупроводник”, в дальнейшем мы также будем называть термоэлектрическое вещество полупроводником. Однако это не сильно искажает истину, поскольку при T = 1000K действует пара “истинных полупроводников” германий-кремний.

Причины возникновения эффекта Пельтье связаны, как и все в этом мире, с процессами энергообмена. Детали процессов, вовлеченных в эксперименты с металлическим переходом Пельтье, проводившиеся много лет назад, и процессы, происходящие в современных ТЕМ, отличаются, поэтому давайте упрощенно рассмотрим современную конструкцию, состоящую из батареи полупроводников p- и n-типа.

Каждая система, без воздействия внешних сил, стремится к равновесию, в отношении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (так называемый В случае с электронными и дырочными носителями (хотя не следует забывать, что “дырки” не существуют как физические носители) это означает, что на границе вещества образуется “потенциальный барьер”, т.е. контактная разность потенциалов, которая препятствует переходу свободных носителей из одного типа полупроводника в другой (если их энергия ниже определенного порога). Ввиду того, что существует дисперсия в энергетическом состоянии носителей, некоторые из них могут преодолеть этот барьер даже без внешнего источника энергии, но этот процесс является взаимным и происходит по обе стороны спая и приводит к определенному равновесному состоянию.

Равновесие можно нарушить, пропустив через переход (p-n-переход) электрический ток, что позволит большему количеству электронов преодолеть контактную разность потенциалов.

Как работает система TEM
Если плюсовая сторона источника подключена к полупроводнику p-типа, а минусовая – к полупроводнику n-типа, то свободные электроны на одном конце полупроводника n-типа будут двигаться к полупроводнику p-типа, а на другом – удаляться от p-n-перехода. Соответственно, в полупроводнике p-типа дырки будут аналогично “двигаться”, но в противоположном направлении. Это создает ситуацию, когда на левом переходе (полупроводника n-типа) происходит непрерывная встреча и рекомбинация базовых носителей с выделением тепла, а на правом переходе – образование этих свободных носителей с отбором энергии из кристаллической решетки и понижением ее температуры.

Изменение полярности подключения питания приведет к изменению теплового состояния – теперь правый переход полупроводника n-типа будет нагреваться, а левый – охлаждаться.
Можно бесконечно углубляться в теорию этого процесса, но вряд ли это будет очень интересно.

Поскольку требуется охлаждающая (или нагревательная) поверхность, полупроводники обычно изготавливаются в виде прямоугольных стержней (путем культивирования и последующего нарезания), установленных на диэлектрическую пластину (обычно глинозем, но иногда используются более дорогие вещества, если требуется очень высокая теплопроводность).

Вид сбоку на ячейку ТЭМ
Проводящие дорожки наносятся на пластину для формирования последовательно-параллельного соединения полупроводниковых шариков, которые припаиваются к контактным площадкам с помощью механических шаблонов. Оловянные или свинцовые припои не используются, поскольку эти металлы довольно агрессивны по отношению к полупроводникам и могут диффундировать в них, ухудшая термоэлектрические характеристики. Свойства используемого припоя в значительной степени определяют максимальную температуру ТЭМ, которая для “домашних” модулей (а это большинство производимых во всем мире) обычно составляет от 100 до 200°C.

Конечно, при “развертывании” p-n-перехода и соединении двух разнородных проводников с помощью контактной дорожки и пайки создаются два перехода вместо одного, и каждый из них будет проявлять свой эффект Пельтье, что в целом приводит к худшему эффекту, чем при непосредственном контакте полупроводников. Кроме того, при охлаждении TEM электрическое сопротивление такого перехода также приведет к дополнительному паразитному нагреву. Однако избежать этих явлений невозможно, поэтому внутренние соединения в ТЭМ выполняются с помощью толстой оплетки из металла или сплава, соответствующего используемым полупроводникам.

Коэффициент Пельтье π соотносит количество тепла от эффекта Пельтье с плотностью тока. Хотя Сибек не признал явление термоЭДС, которое он сам открыл, это довольно легко измеряемая величина, в отличие от коэффициента Пельтье.

Взаимосвязь между коэффициентами

π = αT

Поэтому коэффициент Пельтье рассчитывается на основе коэффициента Зеебека. Значения коэффициента Зеебека для некоторых веществ (при 0°C) приведены в таблице, размерность – микровольты на градус.

Вещество	Коэффициент Зеебека (тепловая эмфа)
Висмут	-72
Константан	-35
Никель	-15
Платина	0
Алюминий	3.5
Германий	300
Кремний	440
Теллур	500
Селен	900

С развитием термоэлектриков стало ясно, что свойства ТЭМ сильно зависят от температуры и необходим более универсальный параметр эффективности, чем коэффициент качества Альтенкирха. Было предложено использовать коэффициент ZT, который дает возможность характеризовать работу термоэлектриков в широком диапазоне температур. И на протяжении многих лет это было препятствием в попытках преодолеть этот фактор единства. Теория физики не накладывает ограничений на величину ZT, и современная наука ищет такие материалы.

Можно отметить, что существуют также магнитоэлектрические явления, которые могут значительно усилить термоэлектрические эффекты.

В заключение главы следует упомянуть еще одно термоэлектрическое явление – эффект Томсона, открытый в 1856 году, который возникает в однородной среде и не требует контакта между разнородными материалами. Если вдоль проводника, по которому течет электрический ток, существует разница температур, то в дополнение к джоулеву теплу в проводнике выделяется или поглощается дополнительное количество тепла (в зависимости от направления тока).
Прямых данных о том, насколько значителен этот нагрев, не найдено, но Альтенкирх, зная об эффекте Томпсона, не принял его во внимание. С другой стороны, современные (2008) исследования считают этот эффект при рассмотрении термоэлектрических явлений важным, особенно при низких температурах и приводящим к значительным нелинейностям, кроме того, само значение теплоты Томсона в современной физике рассчитывается по-другому.
Чтобы не усложнять нашу жизнь, эффект Томсона не будет приниматься во внимание.

Работа термоэлектрического модуля

Много вопросов возникает у новых пользователей ТЭМ из-за непонимания природы явлений, происходящих во время его работы. Рассмотрим упрощенную модель ТЭМ, без учета эффектов Томсона, Ричардсона и других, которые в “домашних” приложениях не оказывают существенного влияния на результат, и с предположением, что теплопередача не происходит через боковые (нерабочие) поверхности термопар. Более конкретно, параметры ТЭМ определяются в вакууме и при температуре “горячей” стороны, поддерживаемой постоянной на уровне 300K. Попробуем определить тепловой баланс Q для “холодного” спая, не учитывая временные параметры (в нестационарных режимах из-за инерционности процессов теплообмена и неинерционного эффекта Пельтье при импульсах тока возможен кратковременный пик холодопроизводительности в несколько раз выше, чем в стационарном режиме).

В этом случае действуют следующие правила:

Собственно эффект Пельтье с теплоотдачей Qpeltier = α *Thol*I, где α – тепловая ЭДС элемента, I – ток через термопару, Thol – температура “холодного” спая;

Эффект Джоуля, при котором теплоотдача происходит за счет протекания электрического тока через ТЭМ, QДжоуля = ½ I² R, где R – электрическое сопротивление термопары, причем половина принимается за другую половину, которая будет относиться к “горячему” спаю;

эффект теплопроводности, который направлен на устранение разницы температур между рабочими сторонами термопары, с выделением тепла Qtp = K*(Thol-Thor), где K – общая теплопроводность, зависящая от теплопроводности, площади поперечного сечения и длины термопары, Thor – температура “горячего” спая

Q = Qпельтье – Qджоуль – Qтп ,
или
Q = α * Тджоуль * I – ½ I² R – K*(Тгор-Тджоуль)

Поэтому существуют два крайних случая, когда Q=0 и Q=Q max.
Q=0 соответствует максимальной разнице температур на концах ТЭМ (ΔTmax = Тгор-Тхол), т.е. когда все тепло (т.е. холод в данном случае) от эффекта Пельтье расходуется на передачу тепла от эффекта Джоуля к “горячему” спаю и компенсацию эффекта теплопроводности.
Этот вариант соответствует режиму “холостого хода” и отсутствию тепловой нагрузки, поэтому не имеет практического значения.

Q=Q max соответствует ситуации, когда разница температур равна нулю, т.е. рабочему пределу ТЭМ, при котором нет смысла увеличивать ток дальше. Этот параметр и соответствующие рабочие ток и напряжение приведены в техническом паспорте TEM. Поэтому, в отличие, например, от транзисторов, где превышение максимального тока связано с необратимым повреждением и необратимым выходом из строя, превышение максимального тока ТЭМ может привести только к повышению его температуры (это часто ограничивается температурой низкоплавкого висмутового припоя, используемого для пайки, имея в виду ТЭМ, предназначенный для работы при комнатной температуре, проверьте данные для конкретного ТЭМ). Практическую ценность может представлять информация о том, что максимальная мощность охлаждения составляет около 60% от потребляемой электрической мощности. Однако режим работы с максимальным током, соответствующим Q max, также является самым неэкономичным для ТЭМ.

Режим работы – это некоторое промежуточное значение холодопроизводительности, ниже максимального, но при котором еще сохраняется некоторая разница температур при заданной тепловой нагрузке.

При желании из приведенных выше коэффициентов можно вывести ряд формул, включая формулы для максимального тока.

Для имеющихся в продаже ТЭМ максимальный ток и напряжение, при котором он достигается, максимальная мощность охлаждения, максимально достижимая разница температур, размеры и материал корпуса указаны в технических характеристиках.

Эквивалентом эффективности для ТЭМ, используемого в качестве охладителя, является коэффициент преобразования

ɛ = (Txol / (Tgor-Txol)) * (SQR(1+ ½ Z(Tgor+Txol)) – (SQR(1+ ½ Z(Tgor+Txol)) -)
– Тгор/Тхол) / (SQR(1+ ½ Z(Тгор+Тхол)) + 1)
SQR означает извлечение квадратного корня из следующего выражения в скобках.

В принципе, легко определить термодинамический компонент и функцию потерь.
Также видно, что коэффициент преобразования будет увеличиваться по мере приближения Txol к Tgor, и не очевидно, как или чем он ограничен. Хотя этот режим соответствует максимальной холодопроизводительности, на практике он обычно не используется, так как целью всегда является достижение разницы температур. Конечно, трудно поверить в “повышение эффективности сверх единицы”, но объяснение простое – если два контактирующих вещества находятся при одинаковых температурах, энергетические уровни большинства электронов достаточны для выполнения работы выхода без внешнего энергетического дополнения. И термоэлектрический насос, в отличие от механического насоса, который должен физически перекачивать жидкость, не выполняет работу по переносу каждого носителя.

Термоэлектрические приложения

Эффект Пельтье можно использовать как для охлаждения, так и для нагрева. Это достигается простым изменением полярности напряжения питания.

ТЭМ, вероятно, наиболее часто используются в небольших портативных и автомобильных холодильниках, где тепловая нагрузка не требует внешнего подвода тепла и позволяет решать задачу охлаждения маломощных компонентов.

Дополнительные примеры включают охлаждение электронных компонентов и различных устройств контроля температуры благодаря простоте точного электронного управления.
Контроль температуры как для нагрева, так и для охлаждения.

Как упоминалось выше, максимальная холодопроизводительность ТЭМ достигается при определенном значении тока, которое представлено как I max при данном значении напряжения питания. Нестабильный режим питания с импульсами тока, в несколько раз превышающими I max, приводит к тому, что холодопроизводительность в течение определенного периода времени превышает номинальную. Это объясняется тем, что сам эффект Пельтье, в отличие от джоулева распространения тепла и явлений теплопроводности, лишен инерции и может быть использован в течение нескольких секунд. Однако нестационарные режимы не получили широкого распространения.

Благодаря обратимости термоэлектрических эффектов ТЭМ также может быть использован в качестве ТЭГ. Вдали от удобств цивилизации он может быть одним из немногих доступных источников электроэнергии, например, для зарядки аккумуляторов или прямого питания радио- и электронного оборудования или других устройств. Конечно, не каждая ТЭМ может быть использована для этих целей. Устройства, в которых разница температур создается между внешней металлической оболочкой, нагреваемой открытым огнем (фокусом), и внутренней оболочкой, охлаждаемой водой, довольно распространены. Холодная” сторона будет ограничена точкой кипения воды, поэтому такой ТЭМ должен быть рассчитан на работу при температуре 500-600°К.

Следует отметить, что тепловой баланс для ТЭГ качественно отличается от теплового баланса для ТЭМ на основе Пельтье, и этот эффект (наряду с теплом Джоуля) вносит лишь несколько процентов от общего вклада, что требует совершенно иного акцента при разработке ТЭГ.

ТЭГ широко используются в космической технике, где температура “горячей” стороны поддерживается радиоизотопным источником.

Однако кардиостимуляторы, имплантированные в человеческое тело, также оснащены ТЭГами с радиоизотопным источником для создания разницы температур.

Также можно упомянуть возможность каскадного расположения охлаждающих элементов; “выстраивая пирамиду”, можно получить разницу температур, недостижимую для одного элемента. Однако за это приходится платить высокую энергетическую и инженерную цену – каждый последующий каскад должен иметь достаточную мощность для создания разницы температур, учитывающей полезную и общую тепловую нагрузку предыдущего каскада, а на заключительном этапе все увеличенное в геометрической прогрессии тепло также должно быть рассеяно.

ТЭМы – плюсы и минусы

ТЭМ обладают рядом уникальных особенностей, которые делают их незаменимыми в определенных условиях эксплуатации.

Плюсы:
Полная тишина
Отсутствие эффекта инерции
Отсутствие движущихся частей
Экологически чистый
Отличные массогабаритные характеристики и высокая плотность мощности
Размер не влияет на производительность
Дизайн практически в любой форме
Возможность работы в широком диапазоне температур
Защита от короткого замыкания
Немедленная доступность
Минимальные затраты на техническое обслуживание

Конс:
Даже при нулевой полезной холодопроизводительности энергия расходуется
На горячей стороне требуется высококачественный теплоотвод, в несколько раз превышающий полезную мощность охлаждения

Как правильно выбрать мощность элемента Пельтье для прямого охлаждения процессора с TDP XXW?

Предположим, что имеется ТЭМ с мощностью охлаждения XX Вт. Что это значит? Это означает, что если “горячая” сторона TEM интенсивно охлаждается до 27°C, температура CPU не будет ниже 27°C. Сколько тепла придется отводить от “горячей” стороны ТЭМ?
Давайте сложим тепловыделение процессора XXW и электрическую мощность, потребляемую TEM Qjoule = XXW / (0.5. 0.6), итого около 3*XXW.
Готовы ли вы рассеивать эту мощность и поддерживать “горячую” сторону TEM при 27°C?
Если нет, то, соответственно, и “горячая”, и “холодная” стороны будут иметь одинаковую более высокую температуру.

Если необходимо снизить температуру процессора по отношению к температуре “горячей” стороны ТЭМ, следует использовать модуль с мощностью охлаждения, в несколько раз превышающей TDP процессора, работающий на пониженной мощности, или не один, а несколько модулей с суммарной мощностью охлаждения, в два-четыре раза превышающей TDP процессора, возможно, с использованием каскадного соединения. Но затраты на электроэнергию и необходимость еще более эффективного охлаждения вряд ли порадуют рядового пользователя.

Большая часть разочарований при использовании систем охлаждения на основе Пельтье связана именно с недооценкой количества тепла, которое необходимо отвести от “горячей” стороны TEM. Проблема отвода тепла TEM от процессора с TDP=125 Вт будет очень сложной. В этом случае лучше использовать ТЭМ для дополнительного охлаждения в контурах охлаждения, как описано в соответствующей теме на форуме overclockers.ru.

Кстати, производители ТЭМ часто предлагают специализированное программное обеспечение, которое поможет вам правильно спроектировать систему охлаждения.

Имеет ли ТЭМ низкую эффективность?
Когда работает TEM, несколько физических процессов выполняются одновременно. Когда речь идет о “чистом эффекте Пельтье”, т.е. о прямом преобразовании электрической энергии в тепловую, эффективность очень высока, особенно при включении. С практической точки зрения, однако, полезный эффект Пельтье компенсируется по крайней мере двумя вредными эффектами в случае охлаждения. Кроме того, эффективность увеличивается по мере уменьшения разницы температур между холодной и горячей сторонами. Таким образом, эффективность – это переменная субстанция.

Чем больше модулей, тем выше эффективность?
Количество модулей само по себе не повышает эффективность. Увеличение количества модулей, при правильном расчете, позволяет, например, следующее для достижения той же мощности охлаждения при меньшем потреблении энергии на компонент, уменьшая рабочий ток и, следовательно, достигая меньшей потребности в охлаждении на “горячей” стороне.

В техническом паспорте указано, что разница температур составляет XX, в моем случае она практически равна нулю!
С процессором с TDP 125 Вт два модуля мощностью 89 Вт не справятся. Почему?
Параметры ТЭМ измерены в идеальных условиях (вакуум и постоянная температура 300К на “горячей” стороне, плюс максимальная температура достигается при отсутствии тепловой нагрузки на “холодной” стороне. Если “горячая” сторона поддерживается на уровне 300K (27°C), а тепловая нагрузка на “холодную” сторону увеличивается, разница температур упадет до нуля, а если тепловая мощность “холодной” стороны продолжает увеличиваться, “холодная” сторона уже будет теплее “горячей” стороны из-за тепловой инерции и теплового сопротивления модуля.
Это означает, что в идеальных условиях и при нагрузке, равной максимальной тепловой мощности TEM, разница температур равна нулю! Чтобы получить разницу температур, необходимо снизить тепловую нагрузку при тех же затратах энергии. Однако для повышения энергоэффективности и облегчения условий охлаждения на “горячей” стороне на ТЭМ подается на 20-50% меньше электроэнергии, чем значение, соответствующее потреблению энергии при максимальной тепловой мощности. В реальных условиях разница температур в 20-40° достигается для одноступенчатой системы охлаждения.

Приведенные значения соответствуют модулям с рабочей температурой, близкой к комнатной.
В общем случае, если температура на горячей стороне не поддерживается и увеличивается с ростом тепловой нагрузки, максимально достижимая разность температур будет меньше паспортной разности температур.

ТЭМ, будучи тепловым насосом, перекачивает тепло от охлажденного тела к его горячей стороне. ?
Термин “тепловой насос”, то есть принудительная “перекачка” тепла, применим только к внутренним процессам ТЭМ. “Рабочее тело” – это электрический ток, который создает разницу температур в соответствии с эффектом Пельтье. Тепловая нагрузка – это уже “естественное” явление теплопроводности через ТЭМ.

Без тепловой нагрузки, благодаря явлению теплопроводности, точка “средней температуры” находится более или менее посередине (не строго, потому что она будет смещена из-за эффекта Томсона). В этом случае джоулево тепло от тока, протекающего через ТЭМ, “перекачивается” от “холодного” к “горячему” спаю, а образующийся холод блокирует эффект теплопроводности от “горячего” спая. Появление теплового заряда в “горячем” узле можно рассматривать как тепло, часть которого будет передаваться “горячему” концу путем теплопроводности, повышая его температуру, если одновременно не увеличивается охлаждение “горячего” узла, а другая половина, передаваемая “холодному” узлу, равна уменьшению холодопроизводительности (происходит “сдвиг” теплового потока), так что температура “холодного” узла повышается. Вследствие этого происходит дальнейшее увеличение температуры ТЭМ за счет тепла Джоуля и из-за меньшего сопротивления теплопроводности.

Обратите внимание, что работа, совершаемая током, не меняется (что неверно, поскольку полупроводники и полуметаллы очень чувствительны к температуре).

Работают ли кулеры TEM более эффективно, охлаждая электронные компоненты из-за хорошей герметизации корпуса?
Герметизация, конечно, важна, но она просто означает, что тепловая нагрузка TEM все время уменьшается, в отличие, например, от охлаждения процессора, который постоянно выделяет тепло.

Если для охлаждения используется несколько ТЭМов, как их правильно подключить?
Для правильной работы ТЭМ необходимо соблюдение нескольких условий.
Источник питания должен обеспечивать необходимую мощность.
Не следует превышать допустимые значения тока и напряжения, иначе будет неоправданно рассеиваться дополнительное тепло. Практические способы сделать это – снизить рабочее напряжение и, следовательно, ток до 50% от I max или меньше.

Например, если нет подходящего источника питания и используется компьютерный блок питания, 4 модуля TEM на 14-15 В могут быть подключены параллельно к 5 В, или последовательно/параллельными парами к 12 В (два модуля последовательно, чтобы на каждый модуль подавалось 6 В, и оба модуля параллельно к питанию 12 В).

Последовательное соединение может быть рекомендовано только для модулей одного типа, и желательно, чтобы их пары были как можно ближе друг к другу по сопротивлению.

В честь 175-й годовщины открытия эффекта Пельтье было приобретено несколько ТЭМов для проведения небольших практических экспериментов.

Для проведения экспериментов вам понадобится небольшой набор принадлежностей,

Джентльменский набор для начинающих конструкторов Пельтье

в данном случае это блоки питания в виде компьютерного блока питания мощностью 650 Вт (на фото нет), прецизионный регулируемый блок питания PXN-1505D, два цифровых мультиметра с термопарами, блок измерения температуры с 4 термодатчиками Zalman MFC2 (на фото нет), ИК-термометр DVM8861 (-50…550°C) с двухлучевым лазерным указателем для визуальной индикации размера захватываемой области, а также набор различных металлических пластин, теплоотводов, разъемов, проводов и резисторов питания. Также на фотографии отсутствует теплогенератор (фен) SMD852 мощностью 450 Вт, трубка КПТ-8 и другие мелкие компоненты.
Следует сразу отметить, что для наиболее эффективной работы ТЭМов в качестве охладителей необходимо использовать для их питания стабилизатор напряжения, управляемый температурой охлаждаемого устройства в соответствии с требуемой схемой управления. Конечно, для охлаждаемых устройств с низким энергопотреблением, таких как чипсеты материнских плат, можно выбрать необходимый ток и держать TEM постоянно подключенным. Если требуется более 100 Вт мощности охлаждения, например, для прямого охлаждения процессора, это потребует рассеивания около 300 Вт на “горячей” стороне TEM, что нецелесообразно делать постоянно – в конце концов, процессор не настолько прожорлив все время.

Но для тех, кто будет экспериментировать с использованием компьютерного блока питания, может оказаться полезной следующая информация.

В представленной горстке термопар есть только три разновидности: TEC1-12710, TEC1-12706, TES1-12704. Их паспортные параметры и количество, которое можно получить от них (максимальная холодопроизводительность) при напряжении 12 В, приведены в таблице.

Модуль	U	I	W	I(12)	W(12)
TEC1-12710	15.6	10.5	89	5.0	33
TEC1-12706	14.9	6.4	53	3.7	25
TES1-12704	14.6	4.3	36	2.5	16.5

Для эксперимента я попробовал охладить чипсет на плате M3N72-EM (GF8300) с помощью TEC1-12706 (см. фото ниже, сравните с TEC1-12710), подключенного к источнику питания 5 В, после замены стандартного радиатора на теплорассеивающую пластину (к сожалению, из латуни, так как подходящего куска меди или алюминия в данный момент поблизости не оказалось).

Установка на чипсет
На горячей стороне были установлены различные типы пассивного и активного воздушного охлаждения, затем те же кулеры без TEC1-12706.

Это дает максимальный выигрыш (8-10° с модулем против 18-21° без, в обоих случаях радиатор с вентилятором). Конечно, можно изменить материал основания, добавить ток, но температуру уже нельзя понизить, чтобы предотвратить образование конденсата. Пассивный радиатор на ячейке приводит к нагреву на 27-30°C (23°C в помещении), тот же радиатор без ячейки обеспечивает температурный диапазон 57°. Кстати, GlacialTech 5700 без экрана и в пассивном режиме снижает температуру до 46°C.

Поэтому было решено не использовать ТЭМ для охлаждения чипсета на этой материнской плате.

Конечно, гротескно, что модули TEM были приобретены в честь 175-й годовщины открытия эффекта Пельтье. На самом деле все проще – в серии статей под названием “Компьютер будущего” (для тех, кто не читал, поясню, что речь идет о компьютере из ближайшего будущего автора, а не о будущем вообще) говорится о компьютере без механических движущихся частей (кроме привода BluRay).

Полностью пассивное охлаждение – нетривиальная задача даже для процессоров с TDP 45 Вт. Конечно, в 2D или под небольшой нагрузкой и без разгона задача решается относительно легко и красиво – достаточно взглянуть на моноблоки Arrle. Но стресс-тестирование процессоров или просто тяжелые длительные режимы работы быстро приводят к перегреву со всеми вытекающими последствиями.

Отсюда и возникла идея использовать ТЭМ. Конструкция микросхемы TEM, находящейся в непосредственном контакте с процессором, нецелесообразна, поскольку требует неоправданно высокого энергопотребления и необходимости рассеивать соответствующее тепло, а процессор можно эффективно охлаждать с помощью большого пассивного радиатора без дополнительных затрат энергии. Но вполне возможно интегрировать TEM в систему доохлаждения, установив дополнительный радиатор поверх тепловых трубок пассивного радиатора и охлаждая его по мере необходимости (по сигналам от датчиков температуры, или в простейшем случае механическим термостатом с гистерезисом). Кулер TEM может быть полностью снят с шасси (в качестве декоративного элемента и для повышения общей эффективности системы охлаждения).

Тест на радиаторе процессора
На фотографии видно, что L-образная медная пластина припаяна (будет припаяна) сплавом Розе к верхним концам тепловых трубок пассивного радиатора, с 3-4 ребрами охлаждения, предварительно снятыми с трубок. Один, два или три TEM установлены на другом конце платы (будут установлены). Общий радиатор на “горячей” стороне TEM будет передавать тепло на пассивный радиатор большой площади, расположенный в нескольких миллиметрах от боковой стенки корпуса, через щель в корпусе.

Общая мощность 4 TEM (планируется установка двух плат) составляет более 210 Вт, что с учетом базового пассивного радиатора должно обеспечить охлаждение 45-ваттного процессора даже при экономном использовании TEM.

Можно также придумать, как поместить TEM в режиме TEG между боковой стенкой компьютера и большим радиатором TEM, обеспечив при этом, чтобы одна сторона компонентов была прижата к радиатору (“горячая”), а другая (“холодная”) – к корпусу. Последовательное подключение компонентов позволяет без каких-либо внешних компонентов или источников питания запустить резервный вентилятор с генерируемым напряжением для выдувания теплого воздуха из корпуса наружу или обдува пассивного радиатора процессора. Однако экономическая самодостаточность такого решения находится под угрозой, но в принципе оно возможно.

Дополнительные радиаторы (или, например, один из существующих L-образных радиаторов) могут быть выполнены в виде U-образной пластины, а дополнительный пассивный радиатор также может быть размещен над верхней крышкой корпуса. Другая боковая крышка будет оснащена пассивным радиатором без TEM, который будет собирать тепло от активных компонентов БП, установленных на U-образном медном радиаторе с засечками для увеличения поверхности охлаждения.

Теплоотвод блока питания
TEM также может быть установлен между этим радиатором и радиатором боковой панели. Но рассказ о том, каков результат и какие температуры достигнуты внутри и снаружи, еще впереди.

Обменяться поздравлениями по случаю 175-й годовщины открытия эффекта Пельтье можно здесь .

Почему я отметил стороны?

Как проверить функцию

Приобретая и используя элемент Пельтье, вы можете задаться вопросом, как проверить его работоспособность. Самый простой способ проверки – подключить термопару к источнику напряжения и проверить обе стороны рукой. Одна сторона должна быть холодной, а другая должна начать нагреваться.

Если нет возможности использовать источник напряжения для питания ячейки, необходимо сделать наоборот. Для этого вам потребуется иметь под рукой мультиметр и источник огня (желательно зажигалку). Провода мультиметра должны быть подключены к проводам от ячейки. Затем необходимо провести зажигалку с одной стороны.

Пожалуйста, обратите внимание! Если печатная плата исправна, то при воздействии огня она начнет вырабатывать ток. Это можно определить по электрическим показаниям измерительного прибора.

Элемент Пельтье может быть использован во многих приложениях для обычного человека. В домашних условиях трудно изготовить качественный и эффективный элемент. Проще купить готовый в магазине и использовать его для строительства многих полезных конструкций у себя дома.

Читайте далее: