Елемент Пельтьє — це термоелектричний перетворювач, принцип дії якого базується на ефекті Пельтьє — виникненні різниці температур при протіканні електричного струму. В англомовній літературі елементи Пельтьє позначаються TEC (від англ.Thermoelectric Cooler — Термоелектричний охолоджувач).
Зовнішній вигляд елемента Пельтьє. При пропущенні струму тепло переноситься з однієї сторони на іншу.
Ефект, зворотний ефекту Пельтьє, називається ефектом Зеебека.
В основі роботи елементів Пельтьє лежить контакт двох струмопровідних матеріалів з різними рівнями енергії електронів у зоні провідності. При протіканні струму через контакт таких матеріалів, електрон повинен отримати енергію, щоб перейти у більш високоенергетичну зону провідності іншого напівпровідника. При поглинанні цієї енергії відбувається охолодження місця контакту напівпровідників. При протіканні струму в зворотному напрямку відбувається нагрівання місця контакту напівпровідників, додатково до звичайного тепловому ефекту.
При контакті металів ефект Пельтьє настільки малий, що непомітний на тлі омічного нагріву і явищ теплопровідності. Тому при практичному застосуванні використовуються контакт двох напівпровідників.
Елемент Пельтьє складається з однієї або більше пар невеликих напівпровідникових паралелепіпедів — одного N-типу і одного Р-типу в парі (зазвичай телуриду вісмуту, Bi2Te3 та германіду кремнію), які попарно з'єднані за допомогою металевих перемичок. Металеві перемички одночасно служать термічними контактами і ізольовані непровідною плівкою або керамічною пластинкою. Пари паралелепіпедів з'єднуються таким чином, що утворюється послідовне з'єднання багатьох пар напівпровідників з різним типом провідності, так щоб вгорі були одні послідовності з'єднань (п-> р), а знизу протилежні (p-> п). Електричний струм протікає послідовно через всі паралелепіпеди. В залежності від напрямку струму верхні контакти охолоджуються, а нижні нагріваються — або навпаки. Контакт у якому струм тече від n до p буде охолоджуватися, а з іншої сторони з'єднання протилежне (p-> n), там контакт відповідно нагрівається. Таким чином електричний струм переносить тепло з одного боку елемента Пельтьє на протилежну і створює різницю температур.
Переваги і недоліки
Перевагою елемента Пельтьє є невеликі розміри, відсутність будь-яких рухомих частин, а також газів і рідин. При зміні напрямку струму можливо як охолодження, так і нагрівання — це дає можливість термостатування при температурі навколишнього середовища як вище, так і нижче температури термостатування.
Недоліком елемента Пельтьє є дуже низький коефіцієнт корисної дії, що веде до великої споживаної потужності для досягнення помітної різниці температур. Незважаючи на це, елементи Пельтьє знайшли широке застосування, оскільки без будь-яких додаткових пристроїв можна реалізувати температури нижче 0 °C.
У батареях елементів Пельтьє можливе досягнення теоретично дуже великої різниці температур, у зв'язку з цим краще використовувати імпульсний метод регулювання температури, завдяки якому можна знизити також споживання енергії.
Застосування
Елементи Пельтьє застосовуються в ситуаціях, коли необхідно охолодження з невеликою різницею температур, або енергетична ефективність охолоджувача не важлива. Наприклад, елементи Пельтьє застосовуються в ПЛР-ампліфікаторах, маленьких автомобільних холодильниках, оскільки застосування компресора в цьому випадку неможливо через обмежені розміри, і, крім того, необхідна потужність охолодження невелика.
Крім того, елементи Пельтьє застосовуються для охолодження пристроїв із зарядовим зв'язком в цифрових фотокамерах. За рахунок цього досягається помітне зменшення теплового шуму при тривалих експозиціях (наприклад в астрофотографії). Багатоступінчасті елементи Пельтьє застосовуються для охолодження приймачів випромінювання в інфрачервоних сенсорах.
Також елементи Пельтьє часто застосовуються для охолодження та термостатування діодних лазерів з тим, щоб стабілізувати довжину хвилі випромінювання.
У приладах, при низькій потужності охолодження, елементи Пельтьє часто використовуються як друга чи третя ступінь охолодження. Це дозволяє досягти температур на 30-40 °C нижче, ніж за допомогою звичайних компресорних охолоджувачів (до -80 °C для одностадійних холодильників і до -120 °C для двостадійних).
Якщо охолоджувати нагрівальну сторону елемента Пельтьє, наприклад за допомогою радіатора і вентилятора, то температура холодної сторони стає ще нижча. У одноступінчатих елементів, в залежності від типу елемента і величини струму, різниця температур може досягати приблизно 70 К.
Найчастіше використовують елементи Пельтьє для побудови автомобільних холодильників. Цьому сприяє:
схожа вольт-амперна характеристика модулів та автомобільної електронної мережі, що дозволяє уникнути додаткових пристроїв перетворення: низька напруга (12 В), високий струм (0..6 А);
надійність, через стійкість до змінних механічних навантажень, тряски. Відсутність рухливих деталей, робить такі холодильники надзвичайно надійними;
компактність. Елементи Пельтьє спрощено — дві пластини, яким можна завдати будь-яку форму, головне забезпечити потрібний температурний інгредієнт.
тихість. Знов таки, відсутність рухомих компонентів, основних джерел звуків, пояснює цю властивість.
можливість роботи в цілком у вологому середовище або агресивному через те, що сам елемент є також цілком герметичним елементом.
Типова характеристика модуля
Основні параметри, які характеризують модуль:
Qmax (Вт) — холодоутворення. Визначається як вся теплова енергія, що передається без втрат з гарячої поверхні на холодну.
delta Tmax (град) — максимальна різниця температур між поверхнями модуля, яка може бути досягнена в ідеальних умовах: температура гарячої поверхні завжди +27 °C, холодна не відводить тепло.
Imax (А) — струм, який забезпечує в модулі різницю температур delta Tmax.
Umax (В) — напруга яка має бути на модулі за умов наявності струму Imax та різниці температур delta Tmax.
Resistance (Ом) — електричній опір модуля постійному струму.
COP (Coefficient Of Performance) — коефіцієнт, що позначає відношення потужності охолодження до використаної електричної потужності модуля. Характеризує ККД модуля, зазвичай, має значення 0,3..0,5.
Характеристики типового модуля Пельтьє, який промислово випускається та доступний кінцевому користувачеві TEC1-12706 60W[1]:
Ширина — 40 мм.
Довжина — 40 мм.
Товщина — 4 мм.
Ресурс — 200 тис. год.
Допустиме нагрівання гарячої поверхні модуля — до 50 °C.
Максимальний перепад температури між поверхнями елементу — 75 °C.
Споживча потужність — 57 Вт.
Максимальна сила струму — до 6,4 А.
Максимальна напруга — до 16,4 В.
Кількість елементів в модулі — 127.
Особливості використання модулів
Модулі можна об'єднувати в каскадні збірки для збільшення різниці температур.
Модуль є оборотним — при зміні полярності постійного струму гаряча та холодна пластини змінюються місцями. Дроти модуля розташовані з різних його боків й мають різний колір. Так, плюсовий має червоний колір, розташований праворуч відносно гарячої сторони модуля.
Модулі мають бути обладнаними потужними радіаторами, тому що в роботі виробляють велику кількість тепла.
Модулі споживають великі струми, тому мають бути під'єднати до блоків живленнями товстими мідними дротами.
Модулі чутливі до пульсації струму, бажано, забезпечувати постійним струмом з пульсацією менш 5 %. Інакше швидко втрачається ККД. Відповідно, для регулювання потужності модулів, не треба використовувати ШІМ-модуляцію.[2]
Для регулювання потужності модуля потрібно використовувати регулятори електричної потужності — модуль має нелінійну залежність характеристики як від струму, так й від його сили.[3]
В разі виходу з ладу модуля, він перетворюється в теплоізолятор. Це призводить до швидкого порушення теплового режиму, й відповідно, до аварії всього пристрою.
Модулі відповідають технічним вимогам протягом 2-х років з дати виготовлення при дотриманні споживачем умов зберігання та експлуатації. Термін експлуатації до 15 років. Строк експлуатації модуля зменшується з підвищенням його температури, її збільшення до температури плавлення олова, що призводить до руйнування модуля, внаслідок порушення теплового контакту зовнішніх пластин із внутрішніми напівпровідниковими елементами.
Кожний модуль має свою оптимальну напругу де його ККД найбільший. Для найпоширеніших модулів, що складаються із 127 елементів, оптимальнішою є 12В (при максимально допустимій 16В). Збільшення за 12В не істотно збільшує різницю температур на пластинах елементу, проте швидко росте сила струму.
Потужність модуля залежить від його розміру. Для охолодження великих площ слід застосовувати великі за розміром модулі, використання ж маленьких призведе до великого перепаду температур на обмеженій площі. Тут доведеться не тільки вирішувати задачу рівномірного розповсюджування теплової енергії по всій площині, але й компенсувати прояв побічних наслідків, як-то конденсат, теплове напруження в конструкціях тощо. Особливо небезпечним є утворення конденсату, який призводить до ризику короткого замикання та корозії.
