Peltier-lämpömoduuli - laite, toimintaperiaate, ominaisuudet

Saksalainen fyysikko Thomas Johann Seebeck havaitsi termo-EMF: n esiintymisen ilmiön vuonna 1821. Ja tämä ilmiö koostuu siitä, että suljetussa sähköpiirissä, joka koostuu sarjaan kytketyistä heterogeenisistä johtimista, edellyttäen että niiden koskettimet ovat eri lämpötiloissa, tapahtuu EMF.

Tätä vaikuttajaa, joka on nimetty keksijästään, Seebeck-efektistä, kutsutaan nyt yksinkertaisesti termoelektrinen vaikutus.

Jos piiri koostuu vain parista erilaisista johtimista, niin tällainen piiri kutsutaan termoelementin. Ensimmäisessä lähestymistavassa voidaan väittää, että termoemf: n suuruus riippuu vain johtimien materiaalista ja kylmien ja kuumien koskettimien lämpötiloista. Siten pienellä lämpötila-alueella termo-EMF on verrannollinen kylmien ja kuumien koskettimien lämpötilaeroon, ja suhteellisuuskerrointa kaavassa kutsutaan termo-EMF-kertoimeksi.

Joten esimerkiksi lämpötilaeroon 100 ° C, kylmän kosketuslämpötilan ollessa 0 ° C, kupari-vakioparin parilla on lämpö-EMF 4,25 mV.

Samaan aikaan, Termoelektrinen vaikutus perustuu kolmeen komponenttiin:

Ensimmäinen tekijä on ero eri aineissa keskimääräisen elektronienergian riippuvuudessa lämpötilasta. Seurauksena on, että jos johtimen lämpötila toisessa päässä on korkeampi, niin elektronit saavuttavat siellä suuremmat nopeudet kuin johtimen kylmässä päässä olevat elektronit.

Muuten, johtavien elektronien pitoisuus kasvaa myös puolijohteissa kuumentuessa. Elektronit kiirehtivät kylmään päähän suurella nopeudella, ja negatiivinen varaus kertyy sinne, ja kuumassa päässä saadaan kompensoimaton positiivinen varaus. Joten on olemassa lämpö-EMF: n komponentti, nimeltään tilavuus EMF.

Toinen tekijä on, että erilaisten aineiden kosketuspotentiaaliero riippuu lämpötilasta eri tavalla. Tämä johtuu kunkin kosketukseen johtimen Fermi-energian erosta. Tässä tapauksessa syntyvä kosketuspotentiaaliero on verrannollinen Fermin energiaeroon.

Sähkökenttä saadaan ohuessa kosketuskerroksessa, ja potentiaaliero molemmilla puolilla (jokaiselle kosketukseen johtimelle) on sama, ja kun piiri kiertää suljetussa piirissä, tuloksena oleva sähkökenttä on nolla.

Mutta jos yhden johtimen lämpötila eroaa toisen johtimen lämpötilasta, niin myös Fermi-energian riippuvuudesta lämpötilasta, potentiaaliero muuttuu. Seurauksena on yhteys EMF - termo-EMF: n toinen komponentti.

Kolmas tekijä on fononin lisäys EMF: ssä. Edellyttäen, että kiinteässä aineessa on lämpötilagradientti, kuumassa päässä kylmään suuntaan liikkuvien fononien (phonon - kideatomien värähtelyn liikkeen kvantti) määrä vallitsee, minkä seurauksena suuri määrä elektronia kulkee kohti kylmää päätä , ja negatiivinen varaus kertyy sinne, kunnes prosessi on tasapainossa.

Tämä antaa termo-EMF: n kolmannen komponentin, joka matalissa lämpötiloissa voi olla satoja kertoja korkeampi kuin kaksi edellä mainittua komponenttia.

Vuonna 1834 ranskalainen fyysikko Jean Charles Peltier löysi päinvastaisen vaikutuksen. Hän havaitsi, että kun sähkövirta kulkee kahden erilaisen johtimen risteyksen läpi, lämpö vapautuu tai imeytyy.

Imeytyneen tai vapautuneen lämmön määrä liittyy juotettujen aineiden tyyppiin, samoin kuin liitoksen läpi virtaavan sähkövirran suuntaan ja suuruuteen.Kaavan Peltier-kerroin on numeerisesti yhtä suuri kuin lämpö-EMF-kerroin kerrottuna absoluuttisella lämpötilalla. Tämä ilmiö tunnetaan nyt nimellä peltier-vaikutus.

Vuonna 1838 venäläinen fyysikko Emiliy Khristianovich Lenz ymmärsi Peltier-vaikutuksen olemuksen. Hän testasi kokeellisesti Peltier-vaikutusta asettamalla tipan vettä antimoni- ja vismuttinäytteiden risteykseen. Kun Lenz kulki sähkövirran piirin läpi, vesi muuttui jääksi, mutta kun tiedemies käänsi virran suunnan, jään sulaminen tapahtui nopeasti.

Tutkija vahvisti siten, että virran virtaamisen jälkeen paitsi Joulen lämpö vapautui myös lisälämmön imeytymistä tai vapautumista. Tätä lisälämpöä kutsuttiin Peltier-lämpöä.

Peltier-vaikutuksen fysikaalinen perusta on seuraava. Kahden aineen risteyksessä oleva kosketuskenttä, joka syntyy kosketuspotentiaalieroista, joko estää virran kulkeutumisen piirin läpi tai myötävaikuttaa siihen.

Jos virta johdetaan kenttää vasten, tarvitaan lähteen työ, jonka tulisi kuluttaa energiaa kosketuskentän voittamiseksi, minkä seurauksena risteys kuumenee. Jos virta on suunnattu siten, että kosketuskenttä tukee sitä, niin kontaktikenttä tekee työn, ja energia viedään itsestään aineesta, eikä virranlähde kuluta sitä. Seurauksena risteyksessä oleva aine jäähdytetään.

Selkein Peltier-vaikutus puolijohteissa, josta johtuen Peltier-moduulit tai termoelektriset muuntimet.

Ytimen ydin Peltier-elementti kaksi puolijohdetta, jotka ovat kosketuksissa toisiinsa. Nämä puolijohteet erottuvat johtuskaistalla olevien elektronien energialla, joten kun virta virtaa kosketuspisteen läpi, elektronit pakotetaan hankkimaan energiaa voidakseen siirtyä toiseen johtamiskaistalle.

Joten siirryttäessä toisen puolijohteen korkeamman energian johtavuuskaistaan ​​elektronit absorboivat energiaa jäähdyttäen siirtymäpaikkaa. Virran vastakkaiseen suuntaan elektronit lähettävät energiaa, ja lämmitys tapahtuu Joule-lämmön lisäksi.

Peltier-puolijohdemoduuli koostuu useista pareista puolijohteet p ja n-tyyppimuotoinen kuin pieni suuntaissärmiö. Puolijohteina käytetään yleensä vismutti-telluridia ja piin ja germaniumin kiinteää liuosta. Puolijohteiden suuntaissärmiöt yhdistetään pareittain kupariappuilla. Nämä puserot toimivat kontaktina lämmönvaihdossa keraamisten levyjen kanssa.

Neulepuserot on sijoitettu siten, että moduulin toisella puolella on vain hyppyjohtimia, jotka tarjoavat n-p-siirtymän, ja toisaalta vain neulepuserot, jotka tarjoavat p-n-siirtymän. Seurauksena on, että virran ollessa kytkettynä moduulin toinen puoli lämpenee, toinen puoli jäähtyy, ja jos tehon napaisuus muuttuu, lämmitys- ja jäähdytyspuolet vaihtavat paikkoja vastaavasti. Siten virran kulkiessa lämpö siirtyy moduulin yhdeltä puolelta toiselle ja tapahtuu lämpötilaero.

Jos nyt Peltier-moduulin toinen puoli lämmitetään ja toinen jäähdytetään, piiriin tulee termo-emf, ts. Seebeck-efekti toteutuu. On selvää, että Seebeck-efekti (termoelektrinen vaikutus) ja Peltier-efekti ovat saman kolikon kaksi puolta.

Nykyään voit helposti ostaa Peltier-moduuleja suhteellisen edulliseen hintaan. Suosituimmat Perrier-moduulit ovat TEC1-12706-tyyppisiä, sisältäen 127 lämpöparia ja suunniteltu 12 voltin syöttöön.

Enimmäiskulutuksen ollessa 6 ampeeria, lämpötilaero on saavutettavissa 60 ° C, kun taas valmistajan ilmoittama turvallinen toiminta-alue on -30 ° C - + 70 ° C. Moduulin koko on 40mm x 40mm x 4mm. Moduuli voi toimia sekä jäähdytyslämmitys tilassa että sukupolven tila.

On olemassa tehokkaampia Peltier-moduuleja, esimerkiksi TEC1-12715, joiden teho on 165 wattia. Kun moduuli saa virtansa jännitteellä 0-15,2 volttia, virranvoimakkuudella 0-15 ampeeria, tämä moduuli pystyy kehittämään lämpötilaeron 70 astetta.Moduulin koko on myös 40 mm x 40 mm x 4 mm, mutta turvallisten työskentelylämpötilojen alue on laajempi - -40 ° C - + 90 ° C.

Seuraavassa taulukossa on tietoja Peltier-moduuleista, jotka ovat nykyään laajalti saatavilla markkinoilla:

Tiedot peltimoduuleista