V roku 1834 objavil veľmi zaujímavý francúzsky fyzik Jean Charles Peltier, ktorý skúmal účinky elektriny na vodičov. Ak prúd prechádzate dvoma odlišnými vodičmi umiestnenými v tesnej blízkosti seba, potom sa jeden z týchto vodičov začne veľmi zahriať a druhý naopak veľmi studený. Množstvo generovaného a absorbovaného tepla priamo závisí od sily a smeru elektrického prúdu. Ak zmeníte smer prúdu, potom sa studená a horúca strana zmení. O niečo neskôr sa tento jav nazval Peltierov efekt a bol bezpečne zabudnutý kvôli praktickému nedostatku dopytu v tom čase.
A až po sto plus rokoch, v období rozkvetu polovodičovej éry, existovala naliehavá potreba kompaktných, lacných a účinných chladičov. V 60. rokoch 20. storočia sa objavili prvé polovodičové termoelektrické moduly, ktoré sa nazývali Peltierove prvky.
Peltierov termočlánok
Základom každého termoelektrického modulu je skutočnosť, že rôzne vodiče majú rôzne úrovne energie elektrónov. Inými slovami, jeden vodič môže byť reprezentovaný ako oblasť s vysokou energiou, druhý vodič ako región s nízkou spotrebou energie. Keď sa dva vodivé materiály dostanú do kontaktu pri priechode elektrického prúdu cez ne, elektrón z nízkoenergetického regiónu musí ísť do vysokoenergetického regiónu.
Toto sa nestane, ak elektrón nezíska potrebné množstvo energie. V okamihu absorpcie tejto energie elektrónom sa kontaktný bod dvoch vodičov ochladí. Ak zmeníte smer prúdenia, bude to mať naopak účinok zahrievania kontaktného bodu.
Môžu sa použiť akékoľvek vodiče, ale tento účinok sa stáva fyzicky viditeľným a významný iba v prípade použitia polovodičov. Napríklad, keď sú kovy v kontakte, Peltierov jav je tak zanedbateľný, že je takmer neviditeľný na pozadí ohmického zahrievania.
Modulárne zariadenie
Termoelektrický modul (TEM), bez ohľadu na jeho veľkosť a miesto použitia, pozostáva z iného počtu, takzvaných termočlánkov. Termočlánok je veľmi tehla, z ktorej je postavená akákoľvek TEM. Skladá sa z dvoch polovodičov rôznych druhov vodivosti. Ako viete, existujú dva typy vodivosti typu p a n. V súlade s tým existujú dva typy polovodičov. Tieto dva odlišné prvky sú spojené v termočlánku pomocou medeného mostíka. Ako polovodiče sa používajú soli kovov ako bizmut, telur, selén alebo antimón.
TEM - skupina podobných termočlánkov vzájomne prepojených v sérii. Všetky termočlánky sú umiestnené medzi dvoma keramickými doskami. Peltierova doska. Dosky sú vyrobené z nitridu alebo aluminy. Skutočný počet termočlánkov v jednom prvku sa môže meniť vo veľmi širokom rozmedzí, od niekoľkých kusov po niekoľko stoviek alebo tisícov.
Inými slovami, Peltierove prvky môžu mať absolútne akúkoľvek silu, od stotín zlomku po niekoľko stoviek alebo tisíc wattov. Jednosmerný prúd prechádza postupne cez všetky termočlánky a výsledkom je, že horná keramická platňa sa ochladzuje a spodný sa naopak ohrieva. Ak zmeníte smer prúdu, platne sa budú meniť, horný sa začne zahrievať a spodný sa bude ochladzovať.
Tento prvok má jednu vlastnosť, ktorá sa aktívne používa na zvýšenie účinnosti chladenia tohto zariadenia. Ako je známe, pri prechode prúdu cez Peltierov prvok sa objavuje teplotný rozdiel medzi povrchom, ktorý je zahrievaný a povrchom, ktorý je ochladený. Ak je teda povrch, ktorý sa aktívne zohrieva, vystavený nútenému chladeniu. Napríklad pri použití špeciálneho chladiča to povedie k ešte silnejšiemu ochladeniu povrchu, to znamená chladeniu. V tomto prípade môže teplotný rozdiel okolitého vzduchu dosiahnuť niekoľko desiatok stupňov.
Výhody a nevýhody
Rovnako ako každé technické zariadenie má aj termoelektrický modul svoje výhody a nevýhody:
Malé rozmery. Presnejšie povedané, TEM môže mať akúkoľvek veľkosť, od mikroskopu po gigantickú.- Neprítomnosť pohyblivých prvkov v konštrukcii, vďaka ktorej je zariadenie v prevádzke úplne tiché.
- Neprítomnosť tekutých alebo plynových plnív v konštrukcii, ktorá robí zariadenie extrémne jednoduchým tak v zariadení, ako aj v prevádzke.
- V závislosti od smeru prúdu môže byť TEM buď chladiacim prvkom alebo výhrevným prvkom.
- Hlavnou nevýhodou TEM je nízka účinnosť v porovnaní s chladiacimi jednotkami kompresorového typu pracujúcimi na freóne.
Problém zvyšovania účinnosti TEM spočíva na technickej hádanke, ktorá je stále nerozpustná. Voľné elektróny majú v skutočnosti dvojaký charakter, ktorý sa v praxi prejavuje a sú súčasne nosičmi elektrického prúdu aj tepelnej energie. Výsledkom je, že vysoko účinný Peltierov prvok by mal byť vyrobený z materiálu, ktorý má dve vzájomne sa vylučujúce vlastnosti súčasne. Tento materiál by mal dobre viesť elektrinu a zle viesť teplo. Doteraz takýto materiál v prírode neexistuje, ale vedci v tomto smere aktívne pracujú.
Technické špecifikácie
Všetky termoelektrické moduly majú zodpovedajúce technické vlastnosti:
Qmax - chladiaci výkon. Vypočítava sa na základe maximálneho povoleného prúdu a teplotného rozdielu medzi protiľahlými povrchmi. Hodnota sa meria vo wattoch.- DTmax - maximálny teplotný rozdiel medzi povrchmi prvkov. Merané v stupňoch.
- Imax - prípustná intenzita prúdu, ktorá je potrebná na výskyt maximálneho teplotného rozdielu.
- Umax je maximálne povolené napätie.
- Odpor je vnútorný odpor zariadenia.
- COP (koeficient výkonnosti) - koeficient účinnosti. Toto je účinnosť prvku. Zobrazuje pomer chladiaceho výkonu k spotrebe energie. Pre najpokročilejšie modely tento koeficient takmer dosahuje 0, 5. V jednoduchších prípadoch nepresahuje 0, 2-0, 3.
Uplatňovanie TEM
Napriek vážnym nedostatkom spojeným so všetkými Peltierovými prvkami bez výnimky, konkrétne s veľmi nízkou účinnosťou, sa tieto zariadenia pomerne široko používajú vo vede a technike, ako aj v každodennom živote.
Termoelektrické moduly sú dôležitými štruktúrnymi prvkami zariadení, ako sú:
Mobilné chladničky. Najmä autochladničky.- Prenosné generátory tepla. Pre elektrinu na ťažko dostupných miestach.
- Chladiace systémy v moderných počítačoch.
- Klimatizácie do automobilov.
- Chladiče na chladenie aj na ohrev vody.
- odvlhčovače.
- Laboratórne chladiace inkubátory.
Peltierov prvok v rukách majstra domu
Okamžitú rezerváciu je potrebné vykonať, nezávislá výroba termoelektrického prvku je pre každého zbytočná a zbytočná. Pokiaľ výrobca nie je študentom siedmeho ročníka, a tým upevňuje vedomosti získané v hodinách fyziky.
Je oveľa jednoduchšie kúpiť nový termoelektrický prvok v príslušnom obchode. Našťastie sú lacné a nie je nedostatok výberu konkrétneho modelu. A okrem toho, že v nich nie je nič, čo by sa malo rozbiť alebo opotrebovať, žiadny termočlánok získaný zo starého počítača alebo klimatizácie automobilu sa nebude líšiť svojimi technickými charakteristikami od nového.
Najpopulárnejším termočlánkovým modelom je TEC1-12706. Rozmery tohto zariadenia sú 40 x 40 milimetrov. Skladá sa zo 127 termočlánkov spojených do série. Je navrhnutý pre prúd 5 A, s obvodovým napätím 12 V. Takýto prvok stojí v priemere 200 až 300 rubľov. Môžete ho však nájsť na sto alebo všeobecne naň, ak ho odstránite zo starého počítača alebo iného nepotrebného zariadenia.
S použitím tohto prvku je možné vyrobiť najmenej dve veľmi zaujímavé a užitočné zariadenia v domácnosti.
Ako si vyrobiť chladničku sami
Výroba prenosných chladničiek, najmä pre stroje, je úplne založená na Peltierovom efekte. Na výrobu takéhoto zariadenia doma budete potrebovať:
- Termočlánok značky TEC1-12706. Stojí 200 rubľov v najbližšom obchode (špecializovaný).
- Chladič a ventilátor. Odstránia sa zo starého počítača, ktorý slúžil svojmu účelu.
- Kontajner. Akýkoľvek nepotrebný kontajner vyrobený z plastu, kovu alebo dreva. Z vonkajšej a vnútornej strany je takáto nádoba nalepená tepelne úspornými penovými alebo polystyrénovými penovými doskami.
Termoelektrický modul je integrovaný vo veku nádoby. V tomto prípade dôjde k prechladnutiu zhora nadol, čo povedie k rovnomernému ochladeniu nádrže. Z vnútornej strany nádoby je chladič pripevnený k veka pomocou tepelnej pasty a upevňovacích skrutiek.
Za účelom zvýšenia výkonu budúceho chladiaceho zariadenia môžete zvýšiť počet termočlánkov až na dva alebo tri alebo viac. V tomto prípade moduly navzájom priľnú, pričom sledujú polaritu. Inými slovami, horúca strana základného prvku je v kontakte so studenou stranou nad ním ležiaceho prvku.
Vonku je na veku pripevnený ďalší chladič spolu s počítačovým chladičom. Na mieste upevnenia radiátorov by mala byť dobrá tepelná izolácia medzi studenou - vnútornou a horúcou - vonkajšou stranou. Horné a dolné žiariče je potrebné veľmi pevne dotiahnuť pomocou upevňovacích skrutiek, aby nedošlo k prasknutiu keramických dosiek umiestnených medzi termočlánkami.
Elektrina sa pripája pomocou zdroja energie, ktorý je možné získať zo starého počítača .
Prenosný termoelektrický generátor
Takáto malá elektráreň môže veľmi pomôcť turistovi alebo poľovníkovi, keď v lese sedí batérie všetkých elektronických prístrojov. V tejto situácii je veľmi romantické vziať niekoľko suchých triesok a šišiek, urobiť malý oheň a použiť ich na nabíjanie vybitých batérií a zároveň ich uvariť. To umožňuje vytvoriť prenosný termogenerátor postavený na termočlánku.
Na zostavenie tohto zázračného zariadenia potrebujete prenosný kempingový kachle, ktoré funguje na akýkoľvek druh paliva. V extrémnych prípadoch to zvládne aj malá sviečka alebo tableta suchého alkoholu.
V peci je oheň a termoelektrický modul je k nemu pripevnený zvonka pomocou tepelnej pasty. Cez vodiče sa pripája na menič napätia.
Veľkosť získaného prúdu bude priamo závisieť od teplotného rozdielu medzi studenou a horúcou stranou termočlánku. Pre efektívnu prevádzku je potrebný rozdiel medzi chladným a horúcim povrchom najmenej 100 stupňov.
V tomto prípade je potrebné pochopiť, že maximálna teplota je obmedzená teplotou topenia spájky, pomocou ktorej je vyrobený samotný modul. Preto pre takéto zariadenia používajte špeciálne tepelné moduly, ktoré sú vyrobené pomocou špeciálnej žiaruvzdornej spájky. V konvenčných moduloch je teplota topenia spájky 150 stupňov. V žiaruvzdorných moduloch sa spájka začína topiť pri teplote 300 stupňov.