Вперше я зіткнувся з елементами Пельтьє (далі – ЕП) кілька років тому, коли розробляв пристрій охолодження для акваріума. Сьогодні ЕП стали ще більш доступними (вартість від 500 руб.), Сфера їх застосування істотно розширилася.

Приміром, фрі-кулери (охолоджувачі води, водораздатчікі, диспенсери), які можна зустріти в будь-якому офісі, а також в деяких приватних будинках – теплообмінники типу «вода-повітря», забезпечують охолодження води за допомогою навколишнього повітря, що проходить через пластини теплообмінника, за допомогою осьових вентиляторів, немислимі без ЕП.

ЕП у формі квадрата 4×4 см (рис. 5.12) за допомогою спеціальної термопасти і стяжних гвинтів закріплений між радіатором охолодження і корпусом водяного резервуара, «холодної» поверхнею до резервуару.

Рис 5.12 Зовнішній вигляд елемента Пельтьє марки ТЕС-1-1208

Широко поширені і інші ЕП аналогічного розміру, наприклад CP1.4-127-045L. Головним параметром ЕП є максимальна потужність.

Важливий надійний механічний контакт між теплообмінником і радіатором, тому до обох сторін ЕП застосовується термічна мастило. Якщо немає спеціальної термопасти, можна з успіхом застосувати фармакологічні засоби, куплені недорого в звичайній аптеці, приміром пасту Лассара або саліцилової-цинкову пасту.

Оскільки максимальна температура на «гарячій» стороні ЕП досягає +80 ° С (а для високотемпературних охолоджувачів фірми Supercool максимальна температура +150 ° С), важливо, щоб ЕП охолоджувався правильно.

«Гаряча» поверхню ЕП звернена до радіатора, з іншого боку якого встановлено вентилятор охолодження (потік повітря спрямований від радіатора зовні). Вентилятор і ЕП у відповідності з полярністю підключені до джерела живлення з напругою 12-14 В (складається з понижуючого трансформатора, випрямляча на діодах і згладжуючого оксидного конденсатора); ЕП-постійно, а вентилятор управляється електронним пристроєм, в основі якого – компаратор і датчик температури, пов’язаний із водяним резервуаром. Як тільки температура води в резервуарі підвищиться більш +5 ° С, автоматично включається вентилятор і починається охолодження. За паспортними даними настільного кулера YH-110 вода охолоджується до +5 ° С. Пульсація джерела живлення не повинна перевищувати 5%, в іншому випадку ефективність ЕП погіршується.

В основі роботи ЕП лежить ефект, відкритий французьким годинникарем Жаном Пельтьє. У 1834 р. Пельтьє в процесі експерименту виявив, що при протіканні постійного електричного струму в ланцюзі, що складається з різнорідних провідників, в місцях контактів (спаях) провідників поглинається або виділяється, в залежності від напрямку струму, тепло. Кількість тепла пропорційно току, що проходить через контакт провідників (рис. 5.13).

При проходженні через ЕП постійного електричного струму виникає різниця температур (dT = Th – Тс) між його сторонами: одна пластина (холодна) охолоджується, а інша (гаряча) нагрівається.

Якщо прикласти до ЕП різниця температур, модуль дасть електричний струм. Це підтверджено експериментами, описаними в табл. 1 і примітці до неї. На основі цього ефекту в перспективі можна створити портативний джерело електроенергії.

Найбільш сильно ефект Пельтьє проявляється на контактах напівпровідників з різним типом провідності (р-або п-). Пояснення ефекту Пельтьє полягає у взаємодії електронів провідності, сповільнюючи або прискорюючи в контактному потенціалі р-п-переходу, з тепловими коливаннями атомів в масиві напівпровідника. В результаті, в залежності від напрямку руху електронів і, відповідно, струму, відбувається нагрів (Th) або охолодження (Тс) ділянки напівпровідника, що безпосередньо примикає до спаю (р-п-або п-р-переходу).

Ефект Пельтьє лежить в основі роботи термоелектричного модуля (ТЕМ). Одиничним елементом ТЕМ є термопара, що складається з одного провідника (гілки) p-типу і одного провідника n-типу. При послідовному з’єднанні декількох таких термопар теплота (Qc), що поглинається на контакті типу п-р, виділяється на контакті типу р-п (Qh). Термоелектричний модуль являє собою сукупність термопар, з’єднаних послідовно. Термопари містяться між двох керамічних пластин. Гілки напаиваются на мідні проводять майданчика (шинки), які кріпляться до теплопроводящей кераміці з оксиду алюмінію; цей матеріал стійкий до високих температур в декілька сотень градусів Цельсія. Корпус ЕП зроблений з телуриду вісмуту, в який для отримання необхідного типу і параметрів провідності додають спеціальні присадки (селен, сурму).

Кількість термопар в різних ЕП варіюється в широких межах – від декількох одиниць до декількох сотень, що дозволяє створювати ТЕМ з холодильною потужністю від десятих часток до сотень ват.

Максимальна різниця температур між сторонами ЕП (dTmax, ° С) може досягати більше 80 ° С. Qmax (Вт) – холодопродуктивність при струмі I = Ітах і різниці температур dT = Th – Тс = 0, за умови що вся теплота, яка надходить на холодну сторону модуля, миттєво і без втрат перекачується на гарячу, причому температура гарячої сторони Тh підтримується рівної 27 ° С (300 К).

Рис. 5.13. Ілюстрація перетворення впливає на ЕП температури ‘в електричний струм

До висновків ЕП рекомендується подавати постійну напругу. Трохи більше (щодо позначеного на модулі) прикладена напруга дозволяє домогтися великої холодильної потужності без зниження холодильного коефіцієнта, що важливо при охолодженні комп’ютерних процесорів. Споживана потужність пропорційно збільшиться.

Крім водяного охолодження, ЕП активно застосовують в якості охолоджувача «повітря-повітря», наприклад для охолодження корпусів мікросхем і друкованих плат. Ох-лажденія процесорів в комп’ютерах – лише один приклад використання ЕП.

Якщо розглядати рідинне (водяне) охолодження, то і в такому пристрої також задіяний ЕП (див. рис. 5.14).

Стандартні однокаскадні модулі максимальною потужністю до 70 Вт (12 В) і 172 Вт (24 В). Позначення (маркування) модулів розшифровуються так; перше число – кількість термопар в модулі; друге – ширина сторін гілки в мм; третє – висота вітки в мм. Наприклад, ТВ-127-1 ,4-1, 5.

Модулі ЕП загерметизовані, що дозволяє застосовувати їх навіть у воді (див. табл. 1 з описом експерименту в окропі), керамічна поверхня ЕП зашліфувати. До ламелям (висновків) припаяні чорний (-) і червоний (+) дроти. Якщо ЕП розташувати висновками до себе так, щоб чорний дріт (рис. 1) був зліва, а червоний – праворуч, зверху буде «холодна» сторона, а знизу – «гаряча». Маркування нанесено, як правило, на гарячу сторону.

Рис. 5.14. Рідинний охолоджувач

Охолодження / нагрівання лазерних компонентів, волоконної оптики, напівпровідників, лабораторних вимірювальних приладів, медичного обладнання, електронних шасі, гнучких і жорстких дисків, їжі та напоїв. ЕП і модулі на їх основі можна використовувати в режимі термоциклювання: чергувати режим охолодження з нагріванням – за допомогою перемикача зміни полярності прикладеної напруги. Цей процес імпульсного керування можна автоматизувати і «доручити» електроніці. Ступінь охолодження пропорційна величині струму, що проходить через ЕП, що дозволяє з високою точністю регулювати температуру охолоджуваного об’єкта.

При звичайній (кімнатній) температурі впливу поверхні обох сторін ЕП мають температуру +8 … +10 ° С (набагато нижче кімнатної, за яку в даному експерименті приймемо +19 ° С).

Розглянемо зміну опору ЕП в різних режимах (до висновків ЕП (ламелям) підключений тестер М830 в режимі вимірювання опору). Результати дослідження зведені в табл. 5.1.

Сфера застосування ЕП

При впливі температурою, більшою, ніж постійна кімнатна температура, на одну сторону (з маркуванням) ЕП його опір зменшується, на зворотний бік – пропорційно збільшується. Найпростіший приклад для ілюстрації-дотик ребром долоні до поверхні ЕП, описане в експериментах 2 і 3 табл. 5.1.

Корисні посилання по технічних характеристиках ЕП можна отримати по посиланнях, вказаних у додатку 1.

Частоти 7296.0 кГц, 7165.5 кГц, 18157.5 кГц, 14342.5 кГц в режимі USB і 10117.5 кГц в CW використовуються коротковолновікамі в основному для піших експедицій.

Література: Кашкаров А. П. Електронні пристрої для затишку та комфорту.