V roce 1834 objevil velmi zajímavý účinek francouzský fyzik Jean Charles Peltier, který zkoumal účinky elektřiny na dirigenty. Pokud projdete proud dvěma odlišnými vodiči, které jsou umístěny v těsné blízkosti sebe, pak se jeden z těchto vodičů začne velmi zahřívat a druhý naopak velmi chladný. Množství tepla generovaného a absorbovaného přímo závisí na síle a směru elektrického proudu. Pokud změníte směr proudu, změní se studená a horká strana. O něco později byl tento jev nazýván Peltierovým efektem a byl bezpečně zapomenut kvůli praktickému nedostatku poptávky v té době.

A teprve po sto plus letech, v době rozkvětu polovodičové éry, byla naléhavá potřeba kompaktních, levných a efektivních chladičů. V 60. letech 20. století se tedy objevily první polovodičové termoelektrické moduly, které se nazývaly Peltierovy prvky.

Peltierův termočlánek

Základem každého termoelektrického modulu je skutečnost, že různé vodiče mají různé úrovně energie elektronů. Jinými slovy, jeden vodič může být reprezentován jako oblast s vysokou energií, druhý vodič jako oblast s nízkou energií. Když dva průchozí materiály přicházejí do styku během průchodu elektrického proudu skrz ně, musí elektron z nízkoenergetické oblasti jít do vysokoenergetické oblasti.

To se nestane, pokud elektron nezíská potřebné množství energie. V okamžiku absorpce této energie elektronem se kontaktní bod dvou vodičů ochladí. Pokud změníte směr proudu, bude naopak působit zahřívání kontaktního bodu.

Lze použít libovolné vodiče, ale tento účinek je fyzicky patrný a významný pouze v případě použití polovodičů. Například, když jsou kovy ve styku, je Peltierův efekt tak zanedbatelný, že je téměř neviditelný na pozadí ohmického zahřívání.

Modul zařízení

Termoelektrický modul (TEM), bez ohledu na jeho velikost a místo použití, sestává z jiného počtu, tzv. Termočlánků. Termočlánek je velmi cihla, ze které je postaven jakýkoli TEM. Skládá se ze dvou polovodičů různých typů vodivosti. Jak víte, existují dva typy vodivosti typu p a n. V souladu s tím existují dva typy polovodičů. Tyto dva odlišné prvky jsou spojeny v termočlánku pomocí měděného můstku. Jako polovodiče se používají soli kovů jako bizmut, telur, selen nebo antimon.

TEM - sada podobných termočlánků vzájemně propojených v sérii. Všechny termočlánky jsou umístěny mezi dvěma keramickými deskami. Peltierova deska. Destičky jsou vyrobeny z nitridu nebo aluminy. Skutečný počet termočlánků v jednom prvku se může lišit ve velmi širokém rozmezí, od několika kusů po několik stovek či tisíců.

Jinými slovy, Peltierovy prvky mohou mít absolutně jakoukoli sílu, od stovek zlomku až po několik set nebo tisíc wattů. Stejnosměrný proud prochází postupně všemi termočlánky a v důsledku toho se horní keramická deska ochlazuje a spodní se naopak ohřívá. Pokud změníte směr proudu, desky se změní místo, horní se začne zahřívat a spodní se ochladí.

Prvek má jednu vlastnost, která se aktivně používá ke zvýšení účinnosti chlazení tohoto zařízení. Jak je známo, když prochází proud Peltierovým prvkem, vzniká teplotní rozdíl mezi vyhřívaným povrchem a ochlazovaným povrchem. Pokud je tedy povrch, který se aktivně zahřívá, vystaven nucenému chlazení. Například při použití speciálního chladiče to povede k ještě silnějšímu ochlazení povrchu, tj. Chlazení. V tomto případě může rozdíl teploty okolního vzduchu dosáhnout několika desítek stupňů.

Výhody a nevýhody

Stejně jako každé technické zařízení má i termoelektrický modul své výhody a nevýhody:

  • Malé velikosti. Přesněji řečeno, TEM může mít jakoukoli velikost, od mikroskopické po gigantickou.
  • Nepřítomnost pohyblivých prvků v konstrukci, což způsobuje, že zařízení je v provozu zcela tiché.
  • Absence tekutých nebo plynových plniv v konstrukci, což činí zařízení velmi jednoduchým jak v zařízení, tak i v provozu.
  • V závislosti na směru proudu může být TEM buď chladicím prvkem nebo topným prvkem.
  • Hlavní nevýhodou TEM je jeho nízká účinnost ve srovnání s chladicími jednotkami typu kompresoru pracujícího na freonu.

Problém zvyšování účinnosti TEM spočívá na technické hádance, která je stále nerozpustná. Volné elektrony mají ve skutečnosti dvojí povahu, která se v praxi projevuje a současně jsou nositeli jak elektrického proudu, tak tepelné energie. Výsledkem je, že vysoce účinný Peltierův prvek by měl být vyroben z materiálu, který má dvě vzájemně se vylučující vlastnosti současně. Tento materiál by měl dobře vést elektřinu a špatně vést teplo. Doposud takový materiál v přírodě neexistuje, ale vědci v tomto směru aktivně pracují.

Technické specifikace

Všechny termoelektrické moduly mají odpovídající technické vlastnosti:

  • Qmax - chladicí kapacita. Vypočítává se na základě maximálního přípustného proudu a teplotního rozdílu mezi protilehlými povrchy. Hodnota se měří ve wattech.
  • DTmax - maximální teplotní rozdíl mezi povrchy prvků. Měřeno ve stupních.
  • Imax - přípustná proudová síla, která je nezbytná pro výskyt maximálního teplotního rozdílu.
  • Umax je maximální přípustné napětí.
  • Odpor je vnitřní odpor zařízení.
  • COP (perfomance koeficient) - koeficient účinnosti. Toto je účinnost prvku. Zobrazuje poměr chladicího výkonu a spotřeby energie. U nejpokročilejších modelů dosahuje tento koeficient téměř 0, 5. V jednodušších případech nepřesahuje 0, 2-0, 3.

Použití TEM

Přes vážnou nevýhodu, která je spojena se všemi Peltierovými prvky bez výjimky, konkrétně s velmi nízkou účinností, se tato zařízení poměrně často používají jak ve vědě a technologii, tak v každodenním životě.

Termoelektrické moduly jsou důležitými strukturálními prvky zařízení, jako jsou:

  • Mobilní ledničky. Zejména automatické chladničky.
  • Přenosné generátory tepla. Pro elektřinu na těžko přístupných místech.
  • Chladicí systémy v moderních počítačích.
  • Autoklimatizace.
  • Chladiče pro chlazení i ohřev vody.
  • Odvlhčovače.
  • Laboratorní chladicí inkubátory.

Peltierův prvek v rukou domácího pána

Okamžitě je třeba provést rezervaci, nezávislá výroba termoelektrického prvku je pro každého alespoň nesmyslná a zbytečná. Pokud není výrobce sedmým ročníkem a upevňuje tak znalosti získané na hodinách fyziky.

Je mnohem snazší koupit nový termoelektrický prvek v příslušném obchodě. Naštěstí jsou levné a neexistuje žádný nedostatek výběru konkrétního modelu. A kromě toho, že v nich není co rozbít nebo opotřebovat, žádný termočlánek odebraný ze starého počítače nebo automobilové klimatizace se nebude lišit svými technickými vlastnostmi od nového.

Nejoblíbenějším termočlánkem je TEC1-12706. Rozměry tohoto zařízení jsou 40 x 40 milimetrů. Skládá se ze 127 termočlánků spojených do série. Je konstruován pro proud 5 A, s obvodovým napětím 12 V. Takový prvek stojí v průměru 200 až 300 rublů. Najdete ho však na sto, nebo obecně na něj, pokud jej odeberete ze starého počítače nebo jiného nepotřebného zařízení.

Pomocí takového prvku lze vyrobit nejméně dvě velmi zajímavá a užitečná zařízení v domácnosti.

Jak si vyrobit ledničku sami

Výroba přenosných chladniček, zejména pro stroje, je zcela založena na Peltierově efektu. Chcete-li takové zařízení vyrobit doma, budete potřebovat:

  • Termočlánek značky TEC1-12706. Stojí 200 rublů v nejbližší prodejně (specializované).
  • Chladič a ventilátor. Jsou odstraněny ze starého počítače, který sloužil svému účelu.
  • Kontejner Jakýkoli nepotřebný kontejner vyrobený z plastu, kovu nebo dřeva. Zevně a uvnitř je takový kontejner lepen tepelně úspornou pěnou nebo deskami z polystyrénové pěny.

Termoelektrický modul je integrován ve víku nádoby. V tomto případě bude přívod chladu probíhat shora dolů, což povede k rovnoměrnému ochlazování nádrže. Z vnitřní strany nádoby je chladič připevněn k víku pomocí tepelné pasty a montážních šroubů.

Za účelem zvýšení výkonu budoucího chladicího zařízení můžete zvýšit počet termočlánků až na dva nebo tři nebo více. V tomto případě se moduly vzájemně drží, přičemž pozorují polaritu. Jinými slovy, horká strana základního prvku je v kontaktu se studenou stranou nad ním.

Venku je k víku připevněn další chladič spolu s chladičem počítače. V místě upevnění radiátorů by měla být dobrá tepelná izolace mezi studenou - vnitřní a horkou - vnější stranou. Horní a dolní radiátory je nutné velmi pečlivě dotáhnout upevňovacími šrouby, aby nedošlo k prasknutí keramických desek umístěných mezi termočlánky.

Elektřina je připojena pomocí napájení, které lze odebrat ze starého počítače .

Přenosný termoelektrický generátor

Taková malá elektrárna může turistovi nebo lovci velmi pomoci, když v lese sedí baterie všech elektronických pomůcek. V této situaci je velmi romantické vzít několik suchých lupínků a šišek, udělat malý oheň a použít je k nabíjení vybitých baterií a současně je vařit. To umožňuje vytvořit přenosný termogenerátor postavený na termočlánku.

K vybudování tohoto zázračného zařízení potřebujete přenosný kempovací kamna, která běží na jakýkoli druh paliva. V extrémních případech to zvládne i malá svíčka nebo tableta suchého alkoholu.

V kamnech je oheň a termoelektrický modul je k němu připevněn z vnějšku pomocí tepelné pasty. Kabely se připojují k měniči napětí.

Velikost získaného proudu bude přímo záviset na teplotním rozdílu mezi studenou a horkou stranou termočlánku. Pro efektivní provoz je nutný rozdíl mezi chladným a horkým povrchem nejméně 100 stupňů.

V tomto případě je nutné pochopit, že maximální teplota je omezena teplotou tání pájky, díky níž je vyroben samotný modul. Proto pro taková zařízení používejte speciální tepelné moduly, které jsou vyráběny pomocí speciální žáruvzdorné pájky. V konvenčních modulech je teplota tání pájky 150 stupňů. U žáruvzdorných modulů se pájka začíná tavit při teplotě 300 stupňů.

Kategorie:

Technologie