Элемент пельтье как работает: Элемент Пельтье : описание, подключение, схема, характеристики

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам / Хабр

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать

(нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями, так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Итак, маленький элемент — 5В*2А, большой — 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.

Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…

Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

как изготовить своими руками из подручных материалов?

Элементом Пельтье принято называть преобразователь, который способен работать от разности температур. Происходит это путем протекания электрического тока по проводникам через контакты. Для этого в элементах предусмотрены специальные пластины. Тепло от одной стороны переходит в другую.

На сегодняшний день указанная технология является востребованной в первую очередь из-за значительной мощности теплоотдачи. Дополнительно устройства способны похвастаться компактностью. Радиаторы для многих моделей устанавливаются слабенькие. Связано это с тем, что тепловой поток довольно быстро остывает. В результате нужная температура поддерживается постоянно.

Подвижных частей указанный элемент не имеет. Работают устройства абсолютно бесшумно, и это является несомненным преимуществом. Также следует сказать, что эксплуатироваться они способны очень долго, а случаи поломок возникают крайне редко. Самый простой тип состоит из медных проводников с контактами и соединительными проводами. Дополнительно с охлаждающей стороны имеется изолятор. Изготовляют его, как правило, из керамики или нержавеющей стали.

Зачем нужны элементы Пельтье?

Элементы Пельтье чаще всего используются для изготовления холодильников. Обычно речь идет о компактных моделях, которые могут применяться, к примеру, автомобилистами в дороге. Однако на этом область применения устройств не подходит к концу. В последнее время элементы Пельтье активно начали устанавливать в звуковую, а также акустическую технику. Там они способны выполнять функции куллера.

В результате охлаждение усилителя устройства происходит без какого-либо шума. Для портативных компрессоров элементы Пельтье являются незаменимыми. Если говорить о научной отрасли, то ученые применяют данные устройства для охлаждения лазера. При этом можно добиться значительной стабилизации волны изучения у светодиодов.

Недостатки моделей Пельтье

Казалось бы, такое простое и эффективной устройство лишено недостатков, однако они имеются. В первую очередь специалисты сразу отметили малую пробивную способность модуля. Это говорит о том, что у человека возникнут определенные проблемы, если он захочет охладить прибор, который работает от сети с напряжением 400 В. В данном случае частично поможет решить эту проблему специальная диэлектрическая паста. Однако пробой тока все равно будет высоким и обмотка элемента Пельтье может не выдержать.

Дополнительно указанные модели не советуют применять для точной электроники. Поскольку в конструкции элемента имеются металлические пластины, то чувствительность транзисторов может нарушаться. Последним недостатком элемента Пельтье можно назвать малый коэффициент полезного действия. Достигнуть значительной разности температур указанные устройства не способны.

Модуль для регулятора

Сделать элемент Пельтье своими руками для регулятора довольно просто. Для этого следует заранее заготовить две металлические пластины, а также проводку с контактами. В первую очередь для установки готовят проводники, которые будут располагаться у основания. Обычно их закупают с маркировкой “РР”.

Дополнительно для нормального контроля температуры следует предусмотреть полупроводники на выходе. Они необходимы для того, чтобы быстро отдавать тепло на верхнюю пластину. Для установки всех элементов следует использовать паяльник. Чтобы доделать элемент Пельтье своими руками, в последнюю очередь подсоединяют два провода. Первый монтируется у нижнего основания и фиксируется у крайнего проводника. Соприкосновения при этом с пластиной следует избегать.

Далее крепят второй провод у верней части. Фиксация осуществляется также к крайнему элементу. Для того чтобы проверить работоспособность устройства, применяют тестер. Для этого два провода нужно подсоединить к прибору. В результате отклонение напряжения должно составить примерно 23 В. В данной ситуации многое зависит от мощности регулятора.

Холодильники с терморезистором

Как сделать элемент Пельтье своими руками для холодильника с терморезистором? Отвечая на этот вопрос, важно отметить, что пластины для него подбираются исключительно из керамики. При этом проводников используется около 20 штук. Это необходимо для того, чтобы перепад температуры был более высоким. Повысить коэффициент полезного действия можно до 70 %. В данном случае важно рассчитать энергопотребление устройства.

Сделать это можно исходя из мощности оборудования. Холодильник на жидком фреоне в этом случае походит идеально. Непосредственно элемент Пельтье устанавливается возле испарителя, который располагается рядом с мотором. Для его монтажа потребуется стандартный набор инструментов, а также прокладки. Они необходимы для того, чтобы оградить модель от пускового реле. Таким образом, охлаждение нижней части устройства будет происходить намного быстрее.

Чтобы добиться получения разницы в температурах (эффект Пельтье) своими руками, проводников может понадобиться не менее 16 штук. Главное при этом – надежно изолировать провода, которые будут подключаться к компрессору. Для того чтобы сделать все правильно, нужно в первую очередь отсоединить осушитель холодильника. Только после этого есть возможность соединить все контакты. По завершении установки предельное напряжение следует проверить при помощи тестера. При нарушении работы элемента в первую очередь страдает терморегулятор. В некоторых случая происходит его короткое замыкание.

Модель для холодильника 15 В

Делается холодильник Пельтье своими руками с малой пропускной способностью. Крепятся модули в основном возле радиаторов. Для того чтобы надежно их закрепить, специалисты используют уголки. К фильтру элемент не должен прислоняться, и это следует учитывать.

Чтобы доделать термоэлектрический модуль Пельтье своими руками, нижнюю пластину в основном выбирают из нержавеющей стали. Проводники, как правило, применяются с маркировкой “ПР20”. Нагрузку они максимум способны выдерживать на уровне 3 А. Максимальное отклонение температуры способно достигать 10 градусов. В этом случае коэффициент полезного действия может составлять 75 %.

Элементы Пельтье в холодильниках 24 В

Используя элемент Пельтье, холодильник своими руками сделать можно только из проводников с хорошей герметизацией. При этом они для охлаждения должны укладываться в три ряда. Рабочий ток в системе обязан поддерживаться на уровне 4 А.. Проверить его можно при помощи обычного тестера.

Если использовать керамические пластины для элемента, то максимального отклонения температуры можно добиться в 15 градусов. Провода к конденсатору устанавливаются только после того, как будет подложена прокладка. Закрепить ее на стенке устройства можно разными способами. Главное в данной ситуации – не использовать клей, который чувствителен к температурам свыше 30 градусов.

Элемент Пельтье для автомобильного охладителя

Чтобы сделать качественный автохолодильник своими руками, Пельтье (модуль) подбирается с пластиной, толщина которой не более 1.1 мм. Провода лучше всего использовать немодульного типа. Также для работы потребуются медные проводники. Их пропускная способность должна составлять не менее 4А.

Таким образом, максимальное температурное отклонение будет доходить до 10 градусов, это считается нормальным. Проводники чаще всего используют с маркировкой “ПР20”. Они в последнее время показали себя более стабильными. Также они подходят для различных контактов. Для соединения устройства с конденсатором используют паяльник. Качественная установка возможна только на блок реле прокладку. Перепады в данном случае будут минимальными.

Как сделать элемент для кулера питьевой воды

Модуль Пельтье (элемент) своими руками делается для кулера довольно просто. Пластины для него важно подбирать только керамические. Проводников в устройстве используют не менее 12. Таким образом, сопротивление будет выдерживаться высокое. Соединение элементов стандартно осуществляется при помощи пайки. Проводов для подключения к прибору должно быть предусмотрено два. Крепиться элемент обязан в нижней части кулера. При этом с крышкой устройства он может соприкасаться. Для того чтобы исключить случаи коротких замыканий, всю проводку важно зафиксировать на решетке либо корпусе.

Кондиционеры

Модуль “Пельтье” (элемент) своими руками делается для кондиционера только с проводниками класса “ПР12”. Их выбирают для этого дела в основном из-за того, что они хорошо справляются с низкими температурами. Максимум модель способна выдавать напряжение 23 В. Показатель сопротивления при этом будет находиться на уровне 3 Ом. Перепад температуры максимум достигает 10 градусов, а коэффициент полезного действия – 65 %. Укладывать проводники между листами можно только в один ряд.

Изготовление генераторов

Изготовить генератор, используя модуль Пельтье (элемент), своими руками можно. Производительность устройства поднимется в целом на 10 %. Достигается это за счет большего охлаждения мотора. Максимум нагрузка прибором выдерживается 30 А. За счет большого количества проводников сопротивление способно составлять 4 Ом. Отклонение температуры в системе равняется примерно 13 градусов. Крепится модуль непосредственно к ротору. Для этого в первую очередь следует отсоединить центральный вал. Во многих случаях статор не мешает. Чтобы обмотка ротора не нагревалась от индуктора, используют керамические пластины.

Охлаждение видеокарты на компьютере

Для охлаждения видеокарты следует подготовить не менее 14 проводников. Лучше всего подбирать медные модели. Коэффициент проводимости тепла у них довольно высокий. Для подключения устройства к плате используются провода немодульного типа. Монтируется модель возле кулера видеокарты. Для ее закрепления обычно используют маленькие металлические уголки.

Для фиксации их можно воспользоваться обычными гаечками. Появление излишнего шума при эксплуатации говорит том, что устройство работает не должным образом. В данном случае необходимо проверит целостность проводки. Также нужно осмотреть проводники.

Элемент Пельтье для кондиционера

Чтобы качественно сделать элемент Пельтье своими руками для кондиционера, пластины используют двойные. Минимальная их толщина должна составлять не менее 1 мм. В таком случае можно надеяться на температурное отклонение в 15 градусов. Производительность кондиционеров после оснащения модулей в среднем увеличивается на 20 %. Многое в данной ситуации зависит от температуры окружающей среды. Также следует учитывать стабильность напряжения от сети. При небольших помехах нагрузка устройством выдерживается примерно 4 А.

При пайке проводников их следует размещать не слишком близко друг к другу. Чтобы правильно доделать модули Пельтье своими руками, входные и выходные контакты надо устанавливать только на одну из двух пластин. В таком случае прибор получится более компактным. Грубой ошибкой в данной ситуации будет подключать модуль непосредственно к блоку. Это приведет к неминуемой поломке элемента.

Установка модуля на конденсатор

Чтобы установить модуль Пельтье своими руками, важно оценить мощность конденсатора. Если она не превышает 20 В, то элемент следует монтировать с проводниками, на которых указана маркировка “ПР30” или “ПР26”. Для того чтобы закрепить модуль Пельтье (элемент) своими руками на конденсаторе, используют маленькие металлические уголки.

Лучше всего их устанавливать по четыре на каждую из сторон. По производительности конденсатор, в конечном счете, способен прибавить плюс 10 %. Если говорить о теплопотерях, то они будут незначительными. Коэффициент полезного действия прибора в среднем равняется 80 %. Для высоковольтных конденсаторов модули не рассчитаны. В данном случае не поможет даже большое количество проводников.

Модуль на элемент Пельтье + интересное применение.

Начнём с ликбеза

Как говорит википедия «Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.» Я уверен что после этой фразы понятнее не стало ).

Ок попробуем иначе. Представьте себе специфический аквариум, состоящий из зон двух типов. В первой зоне аквариума рыбки плавают быстро во второй медленно. Ещё представим себе на границах зон лопасти, крутящиеся в воде. Правила следующие 1) рыбка переплывает в другую зону только тогда когда её скорость соответствует скорости установленной для зоны.2) при переходе границ зоны рыбка может взаимодействовать с лопастями для увеличения либо для уменьшения своей скорости. Теперь представим несколько зон расположенных последовательно.

А теперь весёлая часть.
Находим металлическую и блестящую пластину и делаем в ней отверстие для термопары.Кладём термопасту и устанавливаем термопаруДалее изготавливаем узконаправленный фотоприёмник и фотодиод из чёрной бумаги и обычных компонентовСобираем готовое устройство вспоминая правило «угол падения равен углу отражения»Кто догадался что это такое? Это прибор (ну точнее модель для демонстрации принципа действия) для определения температуры точки росы/относительной влажности воздуха.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Z-MAX｜Эффект Пельтье (принцип электронного охлаждения)

Что такое эффект Пельтье

Эволюция элемента Пельтье

Преимущества термоэлектрического охлаждения

1.	Поскольку не используется фреон и другие хладагенты, не оказывается отрицательного воздействия на окружающую среду.
2.	Малые размеры и вес.
3.	Свободный выбор формы.
4.	В зависимости от полярности тока, можно выполнять не только охлаждение, но и нагрев.
5.	Наличие функций охлаждения и нагрева позволяет выполнять температурный контроль в области комнатной температуры.
6.	Высокая чувствительность к температуре (возможность быстрого охлаждения или нагрева).
7.	Поскольку нет подвижных частей, отсутствуют вибрации и шум.
8.	Отсутствие изнашивающихся механических частей обеспечивает максимальную долговечность и надежность в качестве охладителя.
9.	Удобство в обращении благодаря наличию только одного электрического кабеля.
10.	Простота обслуживания ввиду отсутствия опасности утечки газообразного хладагента, агрессивных жидкостей и т. д.

Пельтье элемент как источник электричества. (Peltier element as a source of electricity.)

  Обратите внимание на толщину проводов. В автомобиле, этот элемент работает при токах до 15А (средний рабочий ток от 5 до 10 Ампер).

    Но ни это главное. Элемент Пельтье – обратимый. Если одну сторону нагревать, а другую охлаждать, то он вырабатывает электричество. Вопрос сколько?

    Заморачиваться с серьезным испытательным стендом не было ни времени, ни желания. Поэтому, в качестве холодной стороны был выбран радиатор от процессора «Pentium», в качестве горячей – кружка с теплой водой.

  Дальше – без чудес.

  Элемент находится на радиаторе. Остатки теплопроводящей пасты помогают теплообмену.

  Обе стороны – холодные. Ток, соответственно – не вырабатывает.

  Температура радиатора, так же как и температура воздуха – около 10 град. Цельсия.

  Нагрев верхнюю часть элемента Пельте теплом руки, убеждаемся, что ток (хоть и небольшой) течет.

      Ставим чашку с теплой водой (60 – 80 гр.С’) на элемент Пельтье и смотрим что получилось.

    Тут выяснились некоторые неприятные моменты. Чашка с водой – не самый хороший источник тепла. Прежде всего, она быстро остывает. В дополнение вода, в середине чашки, быстро расслаивается. То есть, нижний слой воды отдает тепло и охлаждается, а оставшаяся горячая вода находится сверху.

    Что бы сгладить эти неприятные эффекты сделаем следующее. Нагреем воду в чашке, до кипения, поставим на элемент Пельтье и будем помешивать воду для выравнивания температуры.

   Разницу температур холодной и горячей стороны элемента Пельтье измерить не так просто. Теплоемкость керамических пластин, верхней и нижней – очень маленькая. Поэтому пришлось использовать бесконтактный термометр, быстро снимать чашку и тут же измерять температуру верхней пластины. Опуская подробности смотрим что получилось (усредненные температуры в серии измерений на фото, ниже).

   Если свести все вместе, то в результате примитивного эксперимента, с элемента Пельтье удалось устойчиво получить не меньше 0,2 Ватт мощности, при разнице температур холодной и горячей стороны около 50 град. Цельия.
 
  Полупроводниковые элементы Пельтье (в данном случае, между керамическими пластинками размером 40х40мм, находятся 64 полупроводниковых элемента) имеют основное ограничение – температурное. Разница температур между холодной и горячей стороной не  может превышать 100 град. Цельсия. Ограничение чисто механическое, связанное с коэффициентом линейного расширения. При превышении этого диапазона элемент механически трескается и восстановить его невозможно. В дополнение, при изготовлении используется припой, с температурой плавления около 150 град. Цельсия …

Термоэлектрические холодильники: как работают; принцип Пельтье | Обзоры

Это интересно!

12:24:40 - 18. 11.2021

Элемент Пельтье он же термоэлектрический модуль

Чуть чуть теории.

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ)  является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах – от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности – от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.

Практика.

   Подключаем воду к охладителю  к одной стороне элемента Пельтье, а другую ставим на конфорку.  К выходу элемента подключаем 10Вт 6 вольтовою лампочку. Результат – наш генератор работает !

  Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта. 

Нагрев до 160 градусов оказался не оптималенлен, при 120 градусах результат был хуже всего на 10%. 

   Температура охлаждающей жидкости на выходе десять градусов, на входе на один градус меньше. Судя по таким результатам, вода, для охлаждения, не так уж необходима…

При помощи элементов Пельтье можно добывать электричество в экспедиции, в турпоходе, на охотничьем зимовье, словом в любом месте, где это может понадобиться. Естественно, при наличии дров или яркого солнца, ну и обязательно смекалки.

Использование термоэлектрического модуля.

Такой термоэлектрический генератор прекрасно помнят те, кто помнит советские совхозы и колхозы. Говорят, в войну немцы не могли понять, как партизаны могут подолгу вести радиопередачи из осажденного леса.

Да, как говорится – если бы нашим ученым платили деньги, то они бы iphone  ещё в `85 изобрели бы ! 🙂

Термоэлектрический холодильник

Термоэлектрический холодильник (вариант 2)

Термоэлектрический холодильник (вариант 3)

Автомобильный охладитель для баночных напитков

Кулер для питьевой воды

Термоэлектрический кондиционер для кабины КАМАЗа

В такой “ковшик” наливается вода, ставится на огонь и, пожалуйста, подзаряжай мобильник. Весь секрет в дне, там “зарыт” Пельтье

Давайте поподробней об этой конструкции.

В настоящее время растет интерес к использованию термоэлектрических генераторных модулей в бытовых устройствах. В первую очередь это касается возможности питания маломощных потребителей электроэнергии – радиоприемники, сотовые и спутниковые телефоны, переносные компьютеры, устройства автоматики и т. п. от имеющихся источников тепла. Термоэлектрический генератор, в котором отсутствуют вращающиеся, трущиеся и какие-либо другие изнашиваемые части, позволяет непосредственно получать электричество из любого источника тепла: выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, горячей воды геотермальных источников, “бросового” тепла ТЭЦ и т.п. Руководствуясь опытом, полученным при создании промышленных термоэлектрических генераторов (ТЭГ) различной мощности – от нескольких Ватт до нескольких килоВатт ИПФ КРИОТЕРМ приступила к серийному производству бытового ТЭГ номинальной мощностью 8 Вт. Конструктивно генератор выполнен в виде алюминиевого ковшика с внутренним объемом около 1 л в донной части которого установлены генераторные модули производства ИПФ Криотерм.

Необходимый для работы генератора перепад температур достигается при разогреве ковшика, например, пламенем костра. Вода, нагреваемая внутри ковшика может идти на приготовление пищи или на другие цели. Данный генератор в первую очередь предназначен для использования в глухих, труднодоступных местах для подзарядки элементов питания индивидуальных средств связи и навигации, освещения и т. п. Он незаменим для охотников, туристов, моряков, сотрудников спасательных и специальных служб, вынужденных долгое время находится вдали от источников центрального энергоснабжения.

Преимуществом генератора является малый вес и объем, высокая удельная генерируемая мощность, функциональность и высокая надежность. Конструкция генератора исключает возможность его перегрева при правильном использовании. В качестве дополнительной опции к генератору предлагается ступенчатый стабилизатор напряжения с диапазонами 3 В – 6 В – 9В -12В и переходники для зарядных устройств.

БЫТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 1TG-8

Техническая спецификация

Масса без жидкости , кг, не более0,55

Габаритные размеры, мм

с ручкой

без ручки250х130х110 ? 123, h=100

Внутренний объем, дм31,0

Номинальная генерируемая мощность, Вт, не менее8,0

Выходное напряжение, В3,0 ? 12,0

Ток, мА660 ? 2660

А вот ещё один пример использования .

Из таких небольших термоэлектрических конденсаторов и состоит генератор.

Уже сейчас термоэлектрические генераторы (TEG) благодаря применению новейших материалов способны вырабатывать электроэнергию мощностью до 1000 Вт.

Термогенератор особенно порадует любителей динамичной езды: ведь чем выше обороты мотора, тем больше вырабатывается электроэнергии, которая в будущем может использоваться в гибридных силовых установках, например, для еще лучшей разгонной динамики.

Почти две трети энергии топлива в современных ДВС «улетает» в атмосферу вместе с теплом. Поэтому инженеры BMW вместе со специалистами американского аэрокосмического агентства NASA активно работают над технологиями превращения тепловой энергии выхлопных газов в электрическую. Такие установки имеют еще один позитивный эффект: дополнительное нагревание непрогретого мотора. Пока TEG «окутывает» отрезок выхлопной трубы, но в будущем планируется интегрировать эту систему в катализатор, используя тем самым его тепловой режим. Для более масштабного внедрения данной технологии в автомобиле придется модернизировать днище, расширив в некоторых местах центральный тоннель. Ожидается, что подобная система уже совсем скоро сможет давать 5-процентную экономию топлива, повышая КПД двигателя внутреннего сгорания.

Вот такой он Элемент Пельтье или термоэлектрический модуль!

Использование и функции элемента Пельтье

Элемент Пельтье – это устройство, которое преобразует электричество непосредственно в разность температур на плоской пластине, делая одну сторону горячей, а другую – холодной. Это тоже работает в обоих направлениях. То есть, если вы поместите один между горячим утюгом и глыбой льда, он действительно произведет электричество!

Одна только мысль об этом вызывает воспоминания о малоизвестном потерянном фильме Харрисона Форда 80-х годов под названием «Берег москитов», где этот сумасшедший изобретатель устремляется в джунгли и строит машину для производства льда из огня.Дайте мне любой фильм со словом «сумасшедший изобретатель» в описании, и я зацеплюсь. Я отвлекся…

Элементы Пельтье выглядят как плоские, обычно квадратные, пластины, от которых отходят два провода. Между этими двумя поверхностями находится массив полупроводников, последовательно чередующихся между n-типом и p-типом (n-тип имеет «n» для «отрицательных» или много дополнительных электронов; p-тип имеет «p» для «положительных» или нехватка электронов). Они физически устроены так, что, когда через систему пропускается электрический ток, свободные электроны и промежутки, которые нуждаются в свободных электронах, перемещаются в общем направлении по отношению к двум поверхностям пластин.Это передает тепловую энергию с одной стороны на другую. Направление теплового потока зависит от направления тока.

При применении одна сторона обычно прикрепляется к алюминиевому радиатору, который по существу связывает эту сторону с температурой окружающей среды. Другая сторона покрыта керамикой и станет теплее или холоднее окружающей среды.

Подавляющее большинство из них используется для систем охлаждения, например, для микропроцессоров внутри вашего компьютера или в твердотельных мини-холодильниках. Некоторые из них также используются как для обогрева, так и для охлаждения, например, подстаканники в вашем модном новом автомобиле. Просто поменяйте полярность источника питания с горячего на холодное.

С точки зрения дизайна элементы Пельтье отличаются простотой и компактностью. Они крошечные и не имеют движущихся частей, поэтому служат вечно. С другой стороны, они не так энергоэффективны, как циклы сжатия газа, используемые в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и других системах охлаждения (всего 10-15% против 40-60%). Также выше стоимость единицы тепловой энергии.

Элементы Пельтье по-прежнему используются для локального нагрева и охлаждения, где требуются частые быстрые изменения и где важна долговременная надежность. Если у вас есть такая проблема в дизайне вашего продукта, вы можете подумать об этих маленьких гаджетах.

Эффективность элемента Пельтье

Эффективность применения элемента Пельтье зависит от коэффициента полезного действия (COP), который зависит от рабочей точки, тепловой конструкции и типа питания контроллера TEC. Все три пункта обсуждаются в этой статье. Контроллеры
TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье. Элементы Пельтье – это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока.

TEC Controller Обзор продукта

Для достижения максимальной эффективности при охлаждении с использованием элементов Пельтье существуют три золотых правила.

1. I / I _max , когда dT
   I / I _max должен быть в нижней трети (0-0.33 x I _макс )
2. I / I _max при dT> 25 K
   I / I _max должен быть в средней трети (0,33 – 0,66 x I _max )
3. Максимально охладите горячую сторону при охлаждении (радиатор, вентилятор …)

Коэффициент полезного действия (COP)

Эффективность самого элемента Пельтье определяется значением COP = Q _C / P _el . Подробнее об определении COP здесь.

Соотношение COP в зависимости от текущего отношения элемента Пельтье для различных dT.

Оптимальная рабочая точка элемента Пельтье – это максимальное значение COP. Максимальный КПД сильно зависит от разницы температур (dT) между теплой и холодной стороной. Как можно видеть, максимум COP смещается в сторону более высоких токов при увеличении dT. Ток не должен превышать 0,7 I _max , потому что тогда COP становится слишком маленьким – элемент Пельтье очень неэффективен.

Тепловой расчет

Thermal Design имеет решающее значение, поскольку позволяет пользователю напрямую влиять на эффективность и производительность системы. Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:

1. Уменьшение dT – оптимизация радиатора и вентилятора
2. Минимизируйте потери мощности – изолируйте охлаждаемую область
3. Optimize COP – Выбрать элемент Пельтье соответствующей мощности

1. Разница температур (dT) между холодной и теплой стороной должна быть минимизирована.Небольшой dT приведет к смещению максимума COP, как это видно на диаграмме 5, вправо, что означает необходимость меньшего тока. Тепло, которое должно рассеиваться на теплой стороне, складывается следующим образом: Q _h = Q _C + P _el .

На следующей схеме справа представлена ​​система охлаждения и соответствующая температурная диаграмма. Объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье. Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C.Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C. Таким образом, теплоотвод рассеивает 10 ° C, поэтому новое значение dT составляет 30 К.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма

2. Часто бывает полезно изолировать охлаждаемый объект и все другие охлаждаемые поверхности. Таким образом, температура окружающей среды оказывает меньшее влияние на элемент Пельтье, и в систему поступает меньше тепла окружающей среды. Это снижает общую рассеиваемую мощность, что приводит к меньшей входной мощности элемента Пельтье и, следовательно, лучшему COP.

3. Оптимизировать COP следует за счет использования достаточной мощности элемента Пельтье. Это необходимо, потому что максимальное значение COP соответствует низкому току, и помехи могут быть поглощены. Если мощность элементов Пельтье слишком мала, возможно создание нагревателя.

В качестве примера: если dT равно 30 K, вы можете увидеть на диаграмме зависимости COP от тока, что максимум COP находится при I = 0.3 * I _макс . На диаграмме теплового насоса и тока мы получаем со значениями dT = 30 K и I = 0,3 * I _max , Q _c / Q _max равными 20%. Для охлаждения мощностью 10 Вт элемент Пельтье должен иметь мощность 50 Вт.

DC в сравнении с PWM (Тип источника питания TEC)

В следующей главе обсуждаются преимущества постоянного тока (DC current) и недостатки ШИМ в качестве режимов питания для управления элементами Пельтье с контроллерами TEC. Термоэлектрические охладители работают за счет эффекта Пельтье и перекачивают тепло от одной стороны к другой.Для поддержания направления теплового потока требуется постоянный ток.

Во многих контроллерах ТЕС ШИМ используется для управления элементами Пельтье. В целом это означает упрощенное аппаратное и логическое управление выходом. Для высоких частот ток ШИМ можно рассматривать как постоянный ток того же значения амплитуды. Однако модули ТЕС, управляемые ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения ТЕС, управляемые постоянным током. Прямое управление ТЕС с ШИМ делает схему более подверженной помехам, может привести к высоким переходным напряжениям и, как правило, менее эффективно.

Другая проблема заключается в том, что ШИМ может вызывать электромагнитные помехи (EMI) в проводке к устройству ТЕС. Этот эффект может нарушить работу измерительных систем или камер, например при использовании для охлаждения ПЗС-сенсоров.

Рекомендации производителей

Производители элементов Пельтье предлагают использовать постоянный ток и ограничение пульсаций тока для регулирования выходного тока. Они категорически не рекомендуют использовать прямое ШИМ-управление элементами Пельтье:

• Ferrotec: «Тем не менее, мы рекомендуем ограничить пульсации источника питания максимум до 10 процентов с предпочтительным значением <5%.«
• RMT: «ТЕС [элементы Пельтье], управляемые ШИМ, работают менее эффективно, чем при постоянном токе. ШИМ-управление всегда менее эффективно, чем работа ТЕС при том же среднем постоянном токе и потребляемой мощности».
• Marlow: «Термоэлектрические охладители требуют плавного постоянного тока для оптимальной работы. Коэффициент пульсации менее 10% приведет к снижению ∆T менее чем на 1%. […] Marlow не рекомендует управление ВКЛ / ВЫКЛ».

Сравнение двух контроллеров ТЕС

Мы сравнили контроллер TEC Meerstetter Engineering с постоянным током (случай 1) с контроллером PWM TEC (случай 2) от другого производителя, чтобы подчеркнуть разницу между термоэлектрическими системами охлаждения с питанием от постоянного тока и системами, использующими ШИМ. Цель состоит в том, чтобы сравнить общую энергоэффективность.
Оба контроллера выполняют одну и ту же задачу, но с точки зрения эффективности разница весьма разительна.

Установка состоит из следующих компонентов:

• Блок питания для контроллера ТЕС
• Контроллер ТЕС
• Охлаждаемый объект (нагрузка 1 Вт)
• Элемент Пельтье
• Радиатор
• Вентилятор для охлаждения радиатора

В качестве целевой температуры для нагрузки мощностью 1 Вт в качестве охлаждаемого объекта мы выбрали в обоих случаях 10 ° C при температуре окружающей среды 24.5 ° С.

Результаты представлены на следующей иллюстрации и обсуждаются ниже.

Сравнение двух контроллеров ТЕС

Замечательные отличия и наблюдения:

• Мощность, необходимая для охлаждения объекта до 10 ° C, была в случае 2 более чем в шесть раз больше (56 Вт против 9 Вт)
• Температура радиатора в корпусе 2 была на 5 ° C выше. Это может привести к повышению температуры термоэлектрической системы охлаждения, особенно когда она заключена в корпус.
• Повышение температуры радиатора на 5 K также приводит к более высокому dT элемента Пельтье:
  dT = T _HS – T _O = T _amb + ΔT _HS – T _O
• Другими словами, общее количество тепла, рассеиваемого системой с помощью ШИМ-контроллера, более чем в 4 раза больше. Следовательно, это приводит к необходимости гораздо большего радиатора для корпуса 2.
• Более эффективная система позволяет также использовать более мелкие компоненты, такие как блок питания, радиатор и т. Д.

Линейные и SMPS контроллеры TEC

Существует два обычно используемых способа генерации постоянного тока для управления ТЕС. Один способ – использовать линейный источник питания, а другой – SMPS.

Линейные контроллеры ТЕС обеспечивают постоянный ток, обеспечивая оптимальную работу ТЕС. Однако сами по себе они очень неэффективны и генерируют большие тепловые потери.

SMPS Контроллеры ТЕС также управляют ТЕС постоянным током, но они намного более эффективны, что приводит к значительно меньшим тепловым потерям.

SMPS TEC имеют высокий КПД (> 90%), электроника генерирует мало потерь.

Ingenia – КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

Термоэлектрические нагреватели и охладители широко распространены – от охлаждения датчиков изображения CCD (Charge-Coupled Device) в телескопах и камерах до снижения теплового шума до кемпингового холодильника, который может работать от автомобильного аккумулятора. Открытие французского физика Жана Шарля Пельтье имело решающее значение для создания этих устройств.Эффект Пельтье – это разница температур, создаваемая приложением напряжения между двумя электродами, подключенными к образцу полупроводникового материала. Это явление может быть полезно, когда необходимо передать тепло от одной среды к другой в небольшом масштабе.

Эффект Пельтье

В последние годы эффективность охладителей Пельтье значительно повысилась за счет введения слоя полупроводникового теллурида висмута между двумя алюминиевыми пластинами. В большинстве термоэлектрических модулей в настоящее время используется теллурид висмута, легированный для получения положительных и отрицательных полупроводниковых свойств, для достижения оптимальной производительности теплового насоса.Обычные холодильники сжимают и расширяют текучую среду с низкой температурой кипения для достижения охлаждения, однако те, которые используют эффект Пельтье, хотя и менее эффективны, не имеют движущихся частей или газов для утечки.

Устройства Пельтье в космических кораблях и спутниках поглощают тепло прямого солнечного света, а затем рассеивают его с затененной стороны. Кулеры Пельтье также могут использоваться для отвода тепла от жизненно важных частей ПК без опасности повреждения электроникой жидкостями. Устройство Пельтье прикреплено к верхней части главного процессора, чтобы отводить тепло от миллиардов транзисторов под ним. Другие применения включают осушители и датчики для измерения теплового потока через стены зданий.

Подробнее: http://www.ooshutup.com/what-is-peltier-effect-application-peltier-devices-use-physics/

Ingenia хотела бы поблагодарить Ричарда Уолдера за его помощь в выборе и описании этого. Как это работает?

– термоэлектрическая

Основы термоэлектрического модуля

При подаче питания постоянного тока низкого напряжения на модуль TE тепло будет перемещаться через модуль от одной стороны к другой.Таким образом, одна поверхность модуля будет охлаждаться, в то время как противоположная поверхность будет одновременно нагреваться. Важно отметить, что это явление можно обратить вспять, когда изменение полярности (плюс и минус) приложенного напряжения постоянного тока приведет к перемещению тепла в противоположном направлении. Следовательно, термоэлектрический модуль может использоваться как для нагрева, так и для охлаждения, что делает его очень подходящим для приложений точного контроля температуры. Термоэлектрический модуль также может использоваться для выработки электроэнергии.В этом режиме разность температур, приложенная к модулю, будет генерировать ток.

Практический термоэлектрический модуль обычно состоит из двух или более элементов из легированного полупроводникового материала n- и p-типа, которые электрически соединены последовательно, а термически – параллельно. Эти термоэлектрические элементы и их электрические соединения обычно устанавливаются между двумя керамическими подложками. Подложки скрепляют всю конструкцию механически и электрически изолируют отдельные элементы друг от друга и от внешних монтажных поверхностей.Большинство термоэлектрических модулей имеют размер примерно от 2,5 до 50 мм (от 0,1 до 2,0 дюймов) в квадрате и от 2,5 до 5 мм (от 0,1 до 0,2 дюйма) в высоту. Доступны различные формы, материалы подложки, рисунки металлизации и варианты монтажа.

На схематической диаграмме выше показан типичный термоэлектрический модуль в сборе. В термоэлектрическом охладителе используются термоэлектрические материалы из теллурида висмута N-типа и P-типа. Эта компоновка заставляет тепло перемещаться через охладитель только в одном направлении, в то время как электрический ток попеременно перемещается вперед и назад между верхней и нижней подложками через каждый N- и P-элемент.Материал N-типа легирован так, что в нем будет избыток электронов (больше электронов, чем необходимо для завершения идеальной структуры молекулярной решетки), а материал P-типа легирован так, что в нем будет недостаток электронов (меньше электронов, чем необходимо. чтобы завершить идеальную решетчатую структуру). Дополнительные электроны в материале N и «дырки», возникающие из-за недостатка электронов в материале P, являются носителями, которые перемещают тепловую энергию через термоэлектрический материал. Большинство термоэлектрических охлаждающих модулей изготавливаются с равным количеством элементов N-типа и P-типа, где одна пара элементов N и P образуют термоэлектрическую «пару». Например, проиллюстрированный выше модуль имеет две пары элементов N и P и называется «модулем с двумя парами».

Холодопроизводительность (тепло, активно прокачиваемое через термоэлектрический модуль) пропорциональна величине приложенного постоянного электрического тока и тепловым условиям на каждой стороне модуля. Изменяя входной ток от нуля до максимума, можно регулировать тепловой поток и контролировать температуру поверхности.

Часто задаваемые вопросы по термоэлектрическим элементам, часто задаваемые вопросы по охлаждению Пельтье, охлаждение Пельтье, охладитель Пельтье, демонстрационная коробка Пельтье, кондиционеры Пельтье, шкафные охладители, nema4, nema-4x, радиаторы, теплообменники, охладители Пельтье, устройства

Часто задаваемые вопросы и техническая информация – TE Technology

Нажмите на интересующий раздел:

Часто задаваемые вопросы по термоэлектрикам

1. Как работает термоэлектрический модуль?

Термоэлектрические модули – это твердотельные тепловые насосы, работающие на эффекте Пельтье (см. Определения). Термоэлектрический модуль состоит из массива полупроводниковых элементов p- и n-типа, которые сильно легированы электрическими носителями. Элементы скомпонованы в массив, который электрически соединен последовательно, но термически соединен параллельно. Затем этот массив прикрепляется к двум керамическим подложкам, по одной с каждой стороны элементов (см. Рисунок ниже).Давайте посмотрим, как происходит теплопередача, когда электроны проходят через одну пару элементов p- и n-типа (часто называемую «парой») внутри термоэлектрического модуля:

Полупроводник p-типа легирован определенными атомами, которые имеют меньше электронов, чем необходимо для завершения атомных связей внутри кристаллической решетки. При приложении напряжения электроны проводимости стремятся завершить атомные связи. Когда электроны проводимости делают это, они оставляют «дыры», которые по существу являются атомами внутри кристаллической решетки, которые теперь имеют локальные положительные заряды. Затем электроны непрерывно падают и выбрасываются из отверстий и переходят к следующему доступному отверстию. Фактически, именно дыры действуют как носители электричества.

Теперь электроны движутся намного легче в медных проводниках, но не так легко в полупроводниках. Когда электроны покидают p-тип и входят в медь на холодной стороне, в p-типе образуются дырки, поскольку электроны выпрыгивают на более высокий энергетический уровень, чтобы соответствовать энергетическому уровню электронов, уже движущихся в меди.Дополнительная энергия для создания этих отверстий поступает за счет поглощения тепла. Между тем, вновь созданные отверстия перемещаются вниз к меди на горячей стороне. Электроны из меди с горячей стороны переходят в p-тип и падают в отверстия, высвобождая избыточную энергию в виде тепла.

Полупроводник n-типа легирован атомами, которые обеспечивают больше электронов, чем необходимо для завершения атомных связей внутри кристаллической решетки. При приложении напряжения эти лишние электроны легко перемещаются в зону проводимости. Однако требуется дополнительная энергия, чтобы заставить электроны n-типа соответствовать уровню энергии поступающих электронов из меди с холодной стороны. Дополнительная энергия поступает за счет поглощения тепла. Наконец, когда электроны покидают горячую сторону n-типа, они снова могут свободно перемещаться в меди. Они опускаются до более низкого энергетического уровня и при этом выделяют тепло.

Приведенное выше объяснение неточно, поскольку оно не охватывает всех деталей, но служит для объяснения словами, что в противном случае является очень сложным физическим взаимодействием.Суть в том, что тепло всегда поглощается на холодной стороне элементов n- и p-типа, а тепло всегда выделяется на горячей стороне термоэлектрического элемента. Насосная мощность модуля пропорциональна току и зависит от геометрии элемента, количества пар и свойств материала.

Вернуться к началу

2. Какое математическое уравнение описывает работу термоэлектрического модуля?

На рисунке выше изображена термоэлектрическая пара. 2 * R * L / A – K * A / L * (Th – Tc)] V = 2 * N * [S * (Th -Tc) + I * R * L / A]

Первый член Qc, S * I * Tc, представляет собой охлаждающий эффект Пельтье.2 * R * L / A представляет эффект джоулева нагрева, связанный с прохождением электрического тока через сопротивление. Джоулевое тепло распределяется по всему элементу, поэтому 1/2 тепла идет на холодную сторону, а 1/2 тепла идет на горячую сторону. Последний член, K * A / L * (Th-Tc), представляет эффект Фурье, при котором тепло переходит от более высокой температуры к более низкой температуре. Таким образом, охлаждение Пельтье снижается за счет потерь, связанных с электрическим сопротивлением и теплопроводностью.

Для напряжения первый член S * (Th-Tc) представляет напряжение Зеебека.Второй член, I * R * L / A, представляет напряжение, зависящее от закона Ома.

Эти уравнения очень упрощены и предназначены для демонстрации основной идеи, лежащей в основе соответствующих вычислений. Фактические дифференциальные уравнения не имеют решения в замкнутой форме, поскольку S, R и K зависят от температуры. К сожалению, допущение постоянных свойств может привести к значительным ошибкам.

TE Technology использует специальное запатентованное программное обеспечение для моделирования, которое учитывает температурную зависимость термоэлектрических свойств материала, а также все соответствующие конструктивные аспекты всей системы.Программа использует данные о свойствах материалов из реальных результатов испытаний термоэлектрических модулей, поэтому дает очень точные результаты. Когда мы создаем индивидуальный кулер для вашего приложения, такая высокая точность означает, что вам обычно нужен только один прототип для проверки эффективности охлаждения.

Вернуться к началу

3. В чем преимущества термоэлектрического агрегата перед компрессором?

Термоэлектрические модули не имеют движущихся частей и не требуют использования хлорфторуглеродов. Поэтому они безопасны для окружающей среды, по своей сути надежны и практически не требуют обслуживания. Они могут работать в любом положении и идеально подходят для охлаждающих устройств, которые могут быть чувствительны к механической вибрации. Их компактный размер также делает их идеальными для приложений с ограниченным размером или весом, где даже самый маленький компрессор будет иметь избыточную мощность. Их способность нагревать и охлаждать за счет простого реверсирования потока тока полезна в приложениях, где необходимо как нагрев, так и охлаждение или где критически важен точный контроль температуры.

Вернуться к началу

4. В каких отраслях используется термоэлектричество?

Термоэлектрические охладители используются в самых требовательных отраслях промышленности, таких как медицина, лаборатории, аэрокосмическая промышленность, полупроводники, телекоммуникации, промышленность и бытовая техника. Диапазон применения варьируется от простых холодильников для еды и напитков для послеобеденного пикника до чрезвычайно сложных систем контроля температуры в ракетах и ​​космических аппаратах.

Термоэлектрический охладитель позволяет снизить температуру объекта ниже температуры окружающей среды, а также стабилизировать температуру объектов выше температуры окружающей среды.Термоэлектрический охладитель отличается от радиатора, поскольку он обеспечивает активное охлаждение, в отличие от радиатора, который обеспечивает только пассивное охлаждение.

Термоэлектрические охладители могут использоваться в приложениях, требующих отвода тепла от милливатт до нескольких тысяч ватт. Однако в термоэлектрике существует общая аксиома: чем меньше, тем лучше. Термоэлектрический охладитель имеет наибольший смысл при использовании в приложениях, где даже самая маленькая система парокомпрессора обеспечит гораздо большее охлаждение, чем необходимо.В этих ситуациях термоэлектрический охладитель может стать решением, которое меньше, меньше весит и более надежно, чем сравнительно небольшая компрессорная система.

Однако в последние годы наблюдается тенденция к созданию все более крупных термоэлектрических систем. По мере того, как источники питания становятся менее дорогими, это привело к снижению стоимости полной термоэлектрической системы (охладителя, источника питания и регулятора температуры), поэтому системы с более высокой мощностью теперь более востребованы на рынке. Системы с мощностью в диапазоне 200-400 Вт становятся все более распространенными, хотя они все еще не так распространены, как системы меньшего размера, в которых охлаждающая способность ниже 100 Вт.

Большие термоэлектрические системы киловаттного диапазона были созданы для специализированных применений, таких как охлаждение на подводных лодках и железнодорожных вагонах или охлаждающие технологические ванны в специализированных областях, таких как производство полупроводников. В случаях, когда термоэлектрические охладители используются для таких больших приложений, обычно была веская причина, по которой система парокомпрессора не использовалась (например, необходимо минимизировать вибрацию или требуется точный контроль температуры). В этом случае могут быть оправданы дополнительные затраты и повышенное энергопотребление термоэлектрического охладителя.

Типичные области применения термоэлектрических охладителей:

Лазерные диоды

Приборы лабораторные

Температурные бани

Корпуса для электроники

Холодильники

Телекоммуникационное оборудование

Вернуться к началу

5. Каков КПД термоэлектрического модуля?

С технической точки зрения, слово «эффективность» относится к соотношению объема работы, выполняемой машиной, к количеству потребляемой мощности.В тепловых насосах этот термин используется редко, потому что можно удалить больше тепла, чем количество потребляемой мощности для перемещения этого тепла. Для термоэлектрических модулей обычно используется термин «коэффициент полезного действия», а не «эффективность». Коэффициент полезного действия (COP) – это количество перекачиваемого тепла, деленное на количество подаваемой электроэнергии.

COP зависит от тепловой нагрузки, входной мощности и требуемого перепада температур. Обычно КПД находится в пределах 0.3 и 0,7 для одноступенчатых приложений. Однако КПД более 1,0 может быть достигнуто, особенно когда модуль перекачивает против положительной разницы температур (то есть, когда модуль отводит тепло от объекта, который более теплый, чем окружающая среда). На рисунке ниже показан нормализованный график зависимости COP от I / Imax (отношение входного тока к спецификации модуля Imax). Каждая строка соответствует константе DT / DTmax (отношение требуемой разности температур к спецификации модуля DTmax).

Вернуться к началу

6. Хочу сделать свой охлаждающий узел. Как выбрать подходящий модуль для моей системы?

Вы можете использовать нашу программу выбора модулей в Peltier-Thermoelectric-Cooler-Module-Selector. Подробные инструкции по использованию программы вместе с вашей тепловой моделью можно скачать здесь. Мы видели базовые характеристики других программных модулей и рекомендации, основанные на определенных предположениях, которые в противном случае могут привести к значительным ошибкам. Наша программа выбора модулей не делает никаких предположений относительно конструкции вашей системы – рекомендации основаны на рабочих температурах модуля, тепловой нагрузке и DTmax. Это делает процесс выбора более точным, поскольку вы знаете, какие предположения делаются. Имейте в виду, что правильный выбор модуля – это итеративный процесс, который требует времени и исследований. Если вы не хотите тратить время и деньги на выбор собственного модуля, проектирование собственной системы, наличие необходимой квалифицированной рабочей силы для ее сборки и т. Д., то у нас есть настоятельно рекомендуемая альтернатива: стандартные (или нестандартные) системы охлаждения. Вся тяжелая работа уже сделана нами, когда вы покупаете сборку у TE Technology.

Однако, если вы уверены, что хотите создать свой собственный охлаждающий узел, вот краткое описание того, что при этом происходит:

Сначала вы должны определить ваши рабочие температуры и количество тепла, которое вам нужно отвести. Основываясь на этих параметрах, программа выбора модулей поможет вам выбрать модуль с наименьшим энергопотреблением, наименьшим размером или их комбинацию.

Затем вы анализируете свою тепловую систему на основе размера, рабочего напряжения и тока для выбранного модуля. На этом этапе вы убедитесь, что рабочие температуры и тепловая нагрузка, которые вы использовали для выбора модуля, реалистичны. Если анализ показывает, что ваши цифры были реалистичными, тогда вам конец. В противном случае вы должны ввести новую тепловую нагрузку и рабочие температуры и повторить процесс до тех пор, пока выбранный модуль не будет соответствовать вашим окончательным требованиям.

Вернуться к началу

7.Насколько надежны термоэлектрические системы?

Термоэлектрические системы отличаются высокой надежностью при условии их правильной установки и эксплуатации. Тем не менее, конкретную надежность термоэлектрических охладителей, как правило, трудно определить, поскольку интенсивность отказов в значительной степени зависит от конкретного применения. Термоэлектрические модули, которые находятся в устойчивом состоянии (постоянная мощность, тепловая нагрузка, температура и т. Д.), Могут иметь среднее время наработки на отказ (MTBF) более 200 000 часов.Однако приложения, связанные с циклическим термоциклированием, показывают значительно худшие значения среднего времени безотказной работы, особенно когда охладители TE подвергаются циклическому нагреву до высокой температуры. При термоциклировании более подходящей мерой надежности является не время, а количество циклов.

Все материалы расширяются или сжимаются при нагревании или охлаждении. Разные материалы расширяются с разной скоростью. Скорость расширения определяется свойством материала, которое называется коэффициентом теплового расширения (КТР). Как правило, по мере того, как холодная сторона модуля становится холоднее, он сжимается, а по мере того, как горячая сторона становится более горячей, он расширяется.Это изгибает термоэлектрические элементы и их паяные соединения. Кроме того, поскольку модуль изготовлен из нескольких различных материалов, возникает дополнительное напряжение просто потому, что сами материалы расширяются / сжимаются с разной скоростью. После повторного термоциклирования паяные соединения в модуле устают, и электрическое сопротивление увеличивается. Мощность охлаждения снижается, и в конечном итоге модуль выходит из строя. Таким образом, «точка отказа» является функцией рабочей температуры, продолжительности температурных циклов и того, сколько деградаций может выдержать конкретная система, прежде чем рабочие характеристики станут неприемлемыми.Все термоэлектрические модули (независимо от производителя) испытывают одинаковые нагрузки при эксплуатации, но то, как они выдерживают эти нагрузки, зависит от качества сборки – выбор производителя с хорошими и прочными паяными соединениями является обязательным! (Конечно, мы уделяем особое внимание тому, чтобы наши модули имели паяные соединения высочайшего качества.)

Аналогичное явление происходит, когда модуль припаян или приклеен эпоксидной смолой к радиатору. Точка «нулевого напряжения» (то есть точка, где нет внутреннего напряжения, возникающего из-за несовпадения КТР) замерзнет между керамической подложкой и радиатором, когда припой или эпоксидная смола станут жесткими при некоторой температуре, которая обычно отличается от рабочая температура.Другими словами, модуль подвергается предварительному напряжению, когда модуль и припой снова остывают до комнатной температуры (при условии, что модуль припаян к радиатору).

Поскольку сборка подвергается термическому циклу, не только сам модуль испытывает усталостное напряжение, но и линия соединения между модулем и радиатором также подвергается нагрузке. Опять же, разные материалы будут расширяться с разной скоростью. Радиатор, припой (или эпоксидная смола) и модуль будут расширяться по-разному. Это может быть особенно неприятно, потому что облигация потенциально может потерпеть неудачу на локальных участках.В этих местах модуль может перегреться, что усугубит проблему. Вот почему мы не рекомендуем паять (или покрывать эпоксидной смолой) модуль на его радиаторе. Если вы припаиваете (или наносите эпоксидную смолу) модули, мы рекомендуем выполнить термический цикл всей сборки, чтобы обеспечить достаточный срок службы.

TE Technology не публикует данные о надежности термоэлектрических охладителей для общего пользования. Данные о надежности действительны только для условий, в которых проводился тест, и не обязательно применимы к другим конфигурациям.Существует множество параметров и условий применения, которые влияют на надежность. Сборка кулера, методы монтажа, источник питания, системы и методы контроля температуры, а также температурные профили – это всего лишь несколько факторов, которые в совокупности могут привести к частоте отказов от чрезвычайно низкой до очень высокой. Опять же, «точка отказа» специфична для каждого приложения.

Также возможен компромисс между тепловыми характеристиками кулера, стоимостью его изготовления и надежностью в отношении термоциклирования или других факторов.Например, наша линейка стандартных охлаждающих агрегатов оптимизирована для нашего типичного клиента – эти клиенты не используют систему в условиях многократного термоциклирования и, следовательно, не хотят платить (стоимостью или производительностью) за охладитель, оптимизированный для термоциклирования.

Свяжитесь с нами, если ваше приложение связано с термоциклированием. Возможно, мы сможем предоставить результаты непатентованных тестов, которые в некоторой степени могут быть применимы; в противном случае мы можем помочь вам с программой тестирования, чтобы у вас были данные для определения того, насколько подходящая система охлаждения будет в вашем приложении.Чтобы оценить истинную надежность, мы рекомендуем испытать все системы охлаждения в реальных условиях эксплуатации.

Ниже приведены лишь несколько комментариев, касающихся общих тенденций в отношении надежности:

a) Термоэлектрические модули демонстрируют относительно высокую механическую прочность на сжатие, но сравнительно низкую прочность на растяжение и сдвиг. Следовательно, TE-модуль не должен использоваться для поддержки веса, который, в частности, мог бы подвергнуть его растягивающему или сдвиговому напряжению. Кроме того, в приложениях, где будут присутствовать удары и вибрация, термоэлектрический модуль следует зажать между двумя пластинами, а не использовать припой или эпоксидную смолу для крепления модуля к радиатору. При правильной установке термоэлектрические модули успешно справляются с требованиями к ударам и вибрации в аэрокосмической, военной и аналогичной средах. Кроме того, наша заливка обеспечивает повышенную механическую прочность. Фактически, наша заливка была изначально разработана для того, чтобы модули могли выдерживать нагрузки при запуске баллистических ракет. Для получения дополнительной информации нажмите здесь. Кроме того, загрузите tem_ (термоэлектрический_модуль) _mounting_procedure.pdf [Adobe PDF Document] для получения дополнительных сведений о правильных методах монтажа.

Аналогично, при использовании нескольких модулей в сборке они должны иметь общую высоту с точностью до 0.025 мм. В противном случае неравномерное усилие зажима может привести к растрескиванию модуля.

b) Влага не должна попадать внутрь термоэлектрического модуля, чтобы предотвратить как снижение эффективности охлаждения, так и возможную коррозию материалов модуля. Дополнительные сведения см. В разделе «Повышение влажности для защиты от влаги».

c) Применение, которое требует значительных изменений температуры или термоциклирования, может вызвать термическую усталостную нагрузку. Опять же, термоэлектрические модули не следует устанавливать с помощью припоя или эпоксидной смолы.Такие способы монтажа могут вызвать концентрацию напряжений из-за различий в коэффициентах теплового расширения. Мы настоятельно рекомендуем монтировать модули зажимом (с применением сжатия) и с использованием термопасты или гибкого монтажного материала, такого как теплопередающая прокладка, в качестве интерфейса между модулем и пластиной. В любом случае жесткий монтаж не рекомендуется для модулей размером более примерно 15 мм.

Чтобы свести к минимуму влияние термоциклирования, минимизируйте температурный диапазон цикла и минимизируйте количество тепловых циклов.Если термоциклирование является обязательным, вам следует выбрать физически небольшой модуль с большой площадью основания гранул. (Таблетка – это термоэлектрический элемент, используемый в модуле. В номере детали модуля второе число определяет ширину каждой гранулы в мм, что, в свою очередь, определяет площадь основания гранулы.) Таким образом, чем меньше размер модуля, тем больше он обычно надежен, и чем больше размер гранулы, тем надежнее он становится. Кроме того, при необходимости модули можно настроить так, чтобы они лучше справлялись с термоциклированием.

г) Методы контроля температуры также влияют на надежность термоэлектрического модуля. Для обеспечения большей надежности всегда следует выбирать линейное управление или управление с широтно-импульсной модуляцией (частота не менее 300 Гц), а не управление включением / выключением. Контроллер типа ВКЛ / ВЫКЛ в основном вызывает термоциклирование, поэтому его следует избегать.

e) Воздействие высоких температур следует минимизировать, насколько это возможно, для повышения надежности. Стандартные модули рассчитаны на максимальную температуру 80 ° C. Высокотемпературные модули рассчитаны на модули 200 ° C.Однако эти температурные пределы несколько произвольны. Все модули, независимо от производителя, будут подвержены воздействию высоких температур. Некоторые, конечно, более устойчивы к изменениям, чем другие.

Модуль состоит из никелированных медных проводников для электрического соединения термоэлектрических гранул друг с другом. Медь имеет тенденцию диффундировать в термоэлектрический материал, и это может ухудшить характеристики. Таким образом, добавляется никелирование, которое служит диффузионным барьером для меди.К сожалению, никель не является идеальным барьером, и атомы меди все равно будут диффундировать, хотя и гораздо медленнее, чем если бы никелевый барьер вообще не был. Скорость диффузии обычно увеличивается экспоненциально с температурой: чем выше рабочая температура, тем быстрее будет происходить диффузия с соответствующим ухудшением характеристик. Однако, в частности, с модулем 80 ° C при температуре 85 ° C компоненты припоя могут начать мигрировать по плоскостям скола термоэлектрического материала из-за предполагаемой незначительной эвтектической реакции. Это приводит к механически слабому паяному соединению и физическому расширению таблетки.

Температурные характеристики модулей зависят от технологии их изготовления. В модуле 80 ° C используется припой, плавящийся при 140 ° C. Имеет отличные электрические контакты. Модуль 200 ° C также имеет два никелевых барьера: слой никеля на медном выступе и слой никеля на концах таблетки. Припой плавится при 232 ° C.

f) Дополнительную информацию можно найти, загрузив публикации, касающиеся надежности, на странице Загрузки.

г) Не все термоэлектрические модули одинакового качества! У разных производителей разные методы, и мы наблюдаем очень разное качество при сравнении модулей одинакового размера и емкости от разных производителей. Неправильная пайка, неправильная металлизация керамики и неправильное никелирование – это лишь некоторые из потенциальных проблем, которые могут снизить надежность. Будьте внимательны при выборе поставщика модуля!

Вернуться к началу

8. Будет ли TE Technology заниматься контрактным производством?

TE Technology выполняет контрактное производство для компаний, у которых уже есть термоэлектрическая конструкция, и которые хотели бы найти компанию для производства своей детали. У нас есть собственные современные возможности обработки, а также полный отдел испытаний для контроля окружающей среды. Когда компании складывают затраты на инженеров-термоэлектриков, сборщиков, инвентарь и производственную площадь вместе с затратами на проектирование, обслуживание и калибровку необходимого оборудования для термоэлектрических испытаний, они обнаруживают, что это дороже, чем само сырье.Благодаря аутсорсингу эти заказчики сокращают накладные расходы, получая при этом выгоду от неизменно превосходного качества сборки. Независимо от того, насколько мал или велик ваш уровень производства, если вы хотите изучить этот вариант, пришлите нам спецификации вашего термоэлектрического охлаждающего узла с указанием количества, которое вам требуется, и мы будем рады предоставить вам предложение.

Вернуться к началу

9. Могу ли я использовать термоэлектрический охладитель в качестве нагревателя?

Термоэлектрические охладители действительно могут использоваться для очень эффективного и действенного нагрева.Поскольку термоэлектрические охладители представляют собой твердотельные тепловые насосы, они могут активно перекачивать тепло из окружающей среды в дополнение к тепловому эффекту, обусловленному электрическим сопротивлением самого охладителя. Итак, термоэлектрический охладитель может быть эффективнее резистивного нагревателя (в определенных пределах). Нагрев может быть настолько эффективным, что вы легко можете заставить модуль достичь точки плавления припоя! Необходимо следить за тем, чтобы модуль не перегревался.

Если вы заинтересованы в использовании одного из наших стандартных узлов охлаждения для охлаждения и / или обогрева, проконсультируйтесь с нами, чтобы определить, какой узел будет работать лучше всего.

Если вы заинтересованы в создании собственной сборки, вы можете использовать графики производительности охлаждения термоэлектрического модуля, чтобы оценить, сколько нагрева можно сделать. Общая тепловая нагрузка рассчитывается, сначала оценивая разницу температур в модуле и принимая входной ток для любого конкретного модуля. Это определяет активное количество тепла, которое модуль может перекачивать из окружающей среды. Сочетание этого с общей потребляемой мощностью определяет, сколько общего нагрева может сделать модуль.Затем вы должны повторить предположение о разнице температур на основе теплового сопротивления модуля и от модуля и соответствующих передаваемых тепловых нагрузок.

Модуль может обеспечивать обогрев, при котором разница температур в модуле превышает его DTmax. Однако в таких случаях модуль не может перекачивать какое-либо активное тепло, и тогда модуль будет действовать по существу как резистивный нагреватель.

Если вы планируете циклическое изменение температуры, вы можете использовать один из наших биполярных контроллеров температуры.Эти контроллеры автоматически определяют, требуется ли нагрев или охлаждение, только на основе заданного значения. (Пожалуйста, просмотрите также FAQ № 7, чтобы узнать о надежности модуля.) Если вам нужно только обогрев или охлаждение выше или ниже температуры окружающей среды, может работать контроллер, работающий только на обогрев / только на охлаждение.

Вернуться к началу

10. Насколько большим или маленьким может быть термоэлектрический охладитель?

Существуют практические ограничения на индивидуальные размеры модуля или охлаждающего узла. Микромодули, например, дороже в производстве, потому что они менее подходят для автоматизированной обработки.Для модулей большего размера коэффициенты теплового расширения и стоимость, как правило, ограничивают термоэлектрические модули определенными физическими размерами.

Для охлаждающих устройств минимальный размер может быть ограничен минимальными требованиями, необходимыми для обеспечения достаточного теплоотвода. Максимальный размер ограничен требованиями монтажных пластин. Если плиты становятся слишком большими, становится слишком трудно поддерживать достаточную плоскостность поверхности. Как правило, когда требуется большая охлаждающая способность, чем та, которую может обеспечить охладитель обычно самого большого размера, используется несколько охладителей, а не один гигантский охладитель.Примерно говоря, самый большой индивидуальный кулер имеет площадь примерно 254 мм x 177 мм, как наш стандартный CP-200. Однако всегда есть исключения; это просто общие рекомендации.

Вернуться к началу

11. Как лучше всего питать термоэлектрический охладитель?

a) В идеале термоэлектрические охладители должны работать только на постоянном токе для достижения наилучших характеристик. Однако коэффициент пульсации в 10% приведет к ухудшению разницы температур только на 1%.Большинство источников питания имеют лучшую фильтрацию, поэтому пульсации не могут быть проблемой.

б) Следует проявлять осторожность, чтобы не перегрузить кулер. Превышение мощности охладителя может привести к непреднамеренному превышению номинальных температур и вызвать повреждение охладителя.

c) Входная мощность для максимальной эффективности кулера не соответствует его максимальному рабочему напряжению и току. Когда желательна максимальная эффективность, прикладываемая мощность обычно должна составлять от 1/3 до 2/3 от спецификаций Vmax и Imax модуля (модулей), используемых в сборке.

d) Если используется регулятор температуры, он должен быть линейного типа или типа с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), чтобы минимизировать любые вредные эффекты циклического изменения температуры. Следует проявлять осторожность, чтобы использовать достаточно быструю частоту ШИМ, чтобы внутри устройства не возникало тепловых циклов. Контроллеры TE Technology используют частотный диапазон примерно от 300 Гц до 3000 Гц.

Вернуться к началу

12. Как точно термоэлектрический охладитель может поддерживать температуру?

Есть много факторов, которые влияют на общую стабильность системы или снижают ее.Однако термоэлектрический охладитель может обеспечить очень высокую степень температурной стабильности, поскольку степень охлаждения, которую он обеспечивает, пропорциональна приложенному току. Один из наших клиентов сообщил о стабильности в пределах +/- 0,0003 ° C. Однако достижение такого уровня стабильности требует значительных усилий. В конечном итоге ответ на этот вопрос зависит от контроллера и его разрешения, времени отклика конкретного охлаждающего узла и времени отклика охлаждаемого объекта.

Вернуться к началу

13. В каких диапазонах температур может работать термоэлектрический охладитель?

В подавляющем большинстве случаев разница температур в модуле TE составляет менее 60 ° C, а от охлаждаемого объекта до окружающей среды – менее 45 ° C. Одно специальное приложение, которое мы создали, предусматривало охлаждение до 145 К. Однако это потребовало очень особых усилий для достижения минимального количества перекачки тепла. В любом случае диапазон температур будет зависеть от множества факторов, в основном от количества ступеней.Устанавливая модули друг на друга, каждый модуль или ступень действует как электронный радиатор для модуля над ним. По мере увеличения количества ступеней достижимая разница температур также увеличивается. К сожалению, мощность теплового насоса снижается.

Вернуться к началу

14. Какую температуру окружающей среды выдерживают термоэлектрические охладители?

Максимальная температура окружающей среды будет зависеть от желаемой надежности, радиатора, количества рассеиваемого тепла и номинальной температуры модуля или других компонентов системы (например, вентиляторов и изоляционных материалов).Обычно максимальная температура окружающей среды ограничивается приблизительно 50 ° C для стандартных кулеров, в которых используются радиаторы с вентиляторным охлаждением. Однако кулеры, в которых используются высокотемпературные модули, могут работать и при более высоких температурах окружающей среды. Однако большинство имеющихся в продаже вентиляторов имеют максимальную рабочую температуру от -10 ° C до +70 ° C. Обязательно проконсультируйтесь с нами, чтобы проверить, возможна ли работа при более высоких температурах окружающей среды.

Вернуться к началу

15. Как определить, подходит ли термоэлектрическое охлаждение для моего приложения?

Термоэлектрическое охлаждение идеально подходит для очень маленьких систем охлаждения.Термоэлектрики также идеальны, когда требуется как нагрев, так и охлаждение, а также когда требуется точный контроль температуры. Термоэлектрические системы также идеально подходят для применения в аэрокосмической отрасли, поскольку охладитель может быть установлен в любом положении и при этом нормально функционировать. Однако по мере увеличения тепловой нагрузки преимущества термоэлектрического охлаждения по сравнению с компрессорными системами уменьшаются. При оценке только на основе тепловой нагрузки компрессорная система, вероятно, будет более рентабельной, если тепловая нагрузка превышает примерно 200 Вт.

Вернуться к началу

16. Почему TE Technology должна производить систему для моего приложения?

TE Technology обладает техническими знаниями во всех областях, относящихся к термоэлектрике. Каждый продукт имеет более чем сорокалетний опыт работы в термоэлектрической промышленности. Кроме того, у нас есть специализированное испытательное оборудование, уникальное для термоэлектрической промышленности, которое позволяет получать быстрые (недорогие) и точные результаты испытаний 100% наших продуктов (щелкните здесь, чтобы получить дополнительную информацию).Мы предоставляем надежные, долговечные, экономичные системы и поставляем их вовремя. Наши обширные запасы, современная обработка и обширные глобальные ресурсы обеспечивают дополнительную гибкость от прототипа до промышленного производства.

Вернуться к началу

17. Какой тип тестирования рекомендует TE Technology?

TE Technology рекомендует тестировать все продукты в «наихудших» условиях их фактического или смоделированного применения. Мы хотим, чтобы наши клиенты чувствовали себя комфортно, потому что система охлаждения будет соответствовать всем их требованиям к пригодности и надежности. Хотя мы не можем сказать нашим клиентам, подходят ли определенные продукты или надежны ли они для их конкретных требований, мы можем тестировать продукты и собирать данные, чтобы клиенты могли принимать обоснованные решения. TE Technology обладает обширным испытательным оборудованием, включая: камеры с регулируемой температурой; вольеры с повышенной влажностью; оборудование для термоциклирования; оборудование для измерения температуры; и термоэлектрические тестеры. TE Technology предлагает свои ценные услуги по тестированию, чтобы вашей компании не пришлось «изобретать велосипед».Кроме того, мы можем помочь нашим клиентам в разработке индивидуальных экспериментов по тестированию продуктов. Просто позвоните нам, и мы будем рады обсудить наши различные услуги по тестированию и стоимость.

Вернуться к началу

18. Какая защита от перегрева мне нужна?

Если приобретается охлаждающий узел, мы также рекомендуем использовать защиту от перегрева / понижения температуры, чтобы свести к минимуму возможное повреждение охладителей во время работы. Это может произойти, если жидкость (в охладителе жидкости) замерзнет или если охлаждающая среда (воздух, жидкость и т. Д.)) уменьшается, и охладитель перегревается. Некоторые клиенты используют наши стандартные контроллеры температуры, такие как TC-48-20, которые имеют схему защиты от перегрева, которая может снизить вероятность возникновения таких ситуаций. Другие заказчики предпочитают включать эту защитную схему в источник питания. Конечно, мы в TE Technology рады помочь нашим клиентам в выборе типа защиты, который может быть наиболее эффективным для их систем. Обратите внимание, что стандартные кулеры не оснащены защитой от перегрева / понижения температуры, если не указано иное.Если это не указано, ответственность за обеспечение этой защиты или запрос о включении защиты от превышения / понижения температуры лежит на покупателе. Мы разработали и интегрировали многие из этих средств защиты в продукцию на нашем предприятии. Просто свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши варианты.

Вернуться к началу

19. Как работают контроллеры с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)?

С помощью ШИМ питание устройства TE быстро переключается на «ВКЛ» и «ВЫКЛ» с постоянной частотой.Это создает прямоугольный «импульс» мощности с постоянным периодом времени. Время включения или ширину импульса можно изменять для создания среднего выходного напряжения (Vaverage), которое требуется устройству TE для поддержания заданной температуры (рисунок 19.1)

Рисунок 19.1

Импульсы «ВКЛ» и «ВЫКЛ» возникают так быстро, что модуль не успевает изменить температуру в ответ на каждый электрический импульс. Вместо этого модуль предполагает разницу температур относительно Vaverage.При правильной настройке контроллера термоциклирование исключается. Таким образом, эти контроллеры не снижают надежность модуля из-за циклического изменения температуры так же, как термостатический или медленный контроллер включения-выключения.

Все контроллеры TE Technology требуют минимального напряжения для работы встроенного микропроцессора. Минимальное напряжение может быть от 9 до 50 В постоянного тока, в зависимости от контроллера. Если термоэлектрическая нагрузка также может приводиться в действие этим входным напряжением, тогда для приложения необходим только один источник питания.Все стандартные термоэлектрические охлаждающие узлы TE Technology спроектированы таким образом, что узел и контроллер могут работать от одного источника питания.

При работе от одного источника питания входное напряжение контроллера температуры будет определять выходное напряжение во время «ВКЛ» части сигнала, а Vaverage будет варьироваться от 0 В до В + в зависимости от отношения времени «ВКЛ» к « Время отключения. В формах волны, показанных выше, V + равно входному напряжению от источника питания, и во время цикла «ВКЛ» форма волны V + будет приложена к термоэлектрической нагрузке.Следовательно, при использовании одного источника питания вы должны выбрать входное напряжение, которое не превышает Vmax охлаждающего узла или термоэлектрического модуля (ов). Если вы делаете свою собственную систему охлаждения из термоэлектрических модулей, максимальное рабочее напряжение (входное напряжение контроллера) обычно не превышает 75% от Vmax модуля. Конечно, если вы соединяете несколько модулей последовательно или в последовательно-параллельной комбинации, Vmax модульной системы будет Vmax каждого модуля, умноженного на количество модулей, подключенных последовательно.В этом случае входное напряжение обычно составляет не более 75% от модульной системы.

Что произойдет, если вы захотите использовать термоэлектрический модуль при напряжении, меньшем, чем то, что требуется для работы микропроцессора контроллера? В этом случае следует использовать регулятор температуры, который позволяет питать микропроцессор и термоэлектрическую нагрузку от двух независимых источников питания. В этой конфигурации микропроцессор может питаться от небольшого источника с более высоким напряжением, а термоэлектрическая нагрузка может питаться от источника, который теоретически составляет всего 0 В.Если снова обратиться к приведенным выше сигналам, это позволяет пользователю выбрать V +, который подходит для низковольтной термоэлектрической нагрузки, при этом обеспечивая микропроцессору достаточное напряжение для работы. Все терморегуляторы TE Technology могут быть оснащены двумя источниками питания.

PWM бывают двух основных типов, и разница между ними определяет, может ли контроллер автоматически реверсировать мощность для достижения как нагрева, так и охлаждения, или он должен быть настроен либо на охлаждение, либо только на нагрев.В базовом контроллере только охлаждение / только нагрев имеется один транзистор, последовательно соединенный с термоэлектрическим модулем и источником питания (рисунок 19.2). Этот транзистор действует как переключатель S, который либо закрывается, либо открывается для включения или выключения питания термоэлектрического модуля. Пользователь должен сообщить контроллеру, если подача большей мощности на термоэлектрический модуль приведет к тому, что датчик температуры станет теплее или холоднее. Если пользователь хочет изменить конфигурацию контроллера с охлаждения на нагрев, провода, идущие от контроллера к термоэлектрическому модулю, должны быть физически перевернуты, а контроллер необходимо перенастроить так, чтобы он знал, что применение большей мощности теперь имеет обратное влияют на температуру датчика.Преимущество этого типа управления состоит в том, что он проще и дешевле.

Рисунок 19.2

Вторая разновидность контроллера – это биполярный контроллер. Биполярный контроллер имеет 4 транзистора, действующих как переключатели, которые могут автоматически менять направление тока на термоэлектрический модуль. Эта схема известна как H-мост, потому что термоэлектрический модуль и транзисторы образуют на схеме букву «H».

В контроллере этого типа, когда все переключатели (обозначенные от S1 до S4) разомкнуты, ток через модуль не течет (Рисунок 19.3). Замыкающие переключатели S1 и S4 заставляют ток течь в одном направлении (рисунок 19.4). В качестве альтернативы замыкающие переключатели S2 и S3 (S1 и S4 теперь разомкнуты) позволяют реверсировать ток (рисунок 19.5). Этот тип схемы управления является более сложным и, следовательно, более дорогим, но это единственное практическое решение, когда приложение может потребовать как нагрева, так и охлаждения для поддержания желаемой температуры.

Рисунок 19.3

Рисунок 19.4

Рисунок 19.5

Вернуться к началу

20. Что нужно учитывать при использовании чиллера?

TE Technology были разработаны для охлаждения воды и инертных газов. Этот тип теплообменника идеально подходит для низкой стоимости и высокой производительности. Это позволяет использовать большее количество проходов для потока, чем можно было бы получить в других теплообменниках, в которых используется одна змеевидная трубка, вдавленная в пластину.

При использовании этого типа обменника следует учитывать некоторые особенности.Любая жидкость, которую вы используете в охладителях, будет контактировать с анодированным алюминием, медью и эпоксидной смолой, которая используется для соединения медных трубок. Некоторые жидкости, добавки и ингибиторы коррозии разрушают эпоксидную смолу и разъедают металлические поверхности. Поэтому, если вы планируете использовать какие-либо другие жидкости и / или добавки, вам следует тщательно протестировать устройство в реальных рабочих условиях и температурах, прежде чем использовать его в своем продукте, чтобы убедиться, что он не будет поврежден. Следует отметить, что коррозия металлических поверхностей может нанести ущерб не только теплопередаче, но и другим компонентам системы.Например, охлаждение морской воды в морском аквариуме может привести к попаданию меди в воду. Это может повредить рыбу или даже убить ее, поэтому этот тип охладителя жидкости не рекомендуется для этого применения. В любом случае вам следует протестировать кулер, чтобы убедиться в его пригодности для применения.

Отметим, что стандартные охладители жидкости проходят испытания под давлением 410 кПа (60 фунтов на кв. Дюйм). Однако рекомендуется, чтобы рабочее давление не превышало 205 кПа (30 фунтов на кв. Дюйм). Это следует иметь в виду, если вы непреднамеренно охладите воду до температуры ниже точки замерзания, поскольку вода будет расширяться при замерзании, и это потенциально может привести к повреждению эпоксидных соединений или разрыву самой медной трубки.Вам также может потребоваться учитывать температуру при транспортировке и хранении. Если не опорожнить охладитель перед хранением или транспортировкой, это может привести к замерзанию и повреждению. Опять же, если вы используете добавку для понижения стандартной точки замерзания воды (или какой-либо другой жидкости), добавку следует проверить на совместимость.

Термоциклирование также потенциально может вызвать проблемы с теплообменником (а также с термоэлектрическими модулями, которые рассматриваются в отдельном FAQ). Алюминий, эпоксидная смола и медь имеют разные коэффициенты теплового расширения.Следовательно, быстрые изменения температуры могут вызвать напряжение термической усталости, которое может привести к утечкам.

TE Technology может заменить стандартный жидкостный теплообменник в охлаждающем узле жидкостным теплообменником, в котором жидкость будет контактировать только с одним материалом. Мы можем предложить теплообменники с цельной змеевидной трубкой из нержавеющей стали, запрессованной в алюминиевую пластину. Эти теплообменники можно прикрепить к некоторым из наших стандартных холодильных пластин, эффективно превратив их в чиллер для жидкости.Кроме того, в качестве индивидуального устройства медные трубки с эпоксидной связью в нашем стандартном теплообменнике жидкости могут быть заменены приваренными алюминиевыми торцевыми крышками и резьбовыми фитингами для входа и выхода жидкости. Этот метод устраняет проблемы совместимости с эпоксидной смолой и проблемы термоциклирования из соображений теплообменника. TE Technology также производит жидкостные теплообменники со складчатыми ребрами и жидкостные теплообменники, изготовленные из твердого блока материала, такого как нержавеющая сталь или медь. Если вас интересуют нестандартные устройства, обратитесь на завод.

Наконец, стандартная производительность чиллеров основана на предположении, что вода течет со скоростью 1,6 л / мин (25 галлонов в час). Производительность изменится, если будет использоваться другая жидкость и / или другой расход. Проконсультируйтесь с TE Technology, и мы сможем определить для вас производительность в различных условиях эксплуатации.

Вернуться к началу

21. Каков процесс производственных испытаний всех охлаждающих устройств в TE Technology?

TE Technology выполняет многочисленные тесты на уровне компонентов и систем, чтобы гарантировать качество и стабильность термоэлектрических систем охлаждения, которые мы производим.Каждый шаг – это звено в цепочке обеспечения качества, которая была разработана на основе многолетнего опыта создания десятков тысяч охлаждающих устройств.

Процесс начинается с тестирования 100% термоэлектрических (ТЭ) модулей на их термоэлектрические свойства. Каждый модуль тестируется на нашей собственной термоэлектрической испытательной системе. Эта система измеряет свойства термоэлектрического материала: удельное электрическое сопротивление, теплопроводность, коэффициент Зеебека и добротность. Эти измерения гарантируют, что полупроводники, используемые в модулях, обеспечивают постоянные тепловые и электрические свойства при использовании в охлаждающем узле.Система также проверяет сопротивление переменного тока всего модуля. Эта проверка важна, поскольку она подтверждает, что паяные соединения в модуле не повреждены. Например, типичный модуль на 127 пар содержит 254 термоэлектрических элемента и 508 спаек. Если какой-либо из этих паяных переходов сломается, весь модуль будет бесполезен. Кроме того, если последовательно подключено более одного модуля, все модули, подключенные последовательно, также будут бесполезны. Важно помнить, что иметь «мертвый» модуль в системе намного хуже, чем если бы его вообще не было.Мало того, что мертвые модули не смогут обеспечить какое-либо полезное охлаждение, они также обеспечат путь утечки тепла с горячей стороны охлаждающего узла обратно на холодную сторону.

Затем компоненты охлаждающего узла проверяются, чтобы убедиться, что они обладают физическими характеристиками, необходимыми для эффективного отвода тепла от радиатора через модуль ТЕ, а затем в радиатор. Для этого проверяются физические параметры теплообменников и ТЕ-модулей.Поверхности теплообменников измеряются на предмет плоскостности и чистоты поверхности в областях, которые контактируют с ТЕ-модулями. Если в охлаждающем узле будет использоваться более одного модуля, высота модулей согласуется, поэтому разница в высоте между ними не превышает 0,025 мм. Модули также проверяются, чтобы убедиться, что керамические подложки являются плоскими и параллельными в соответствии со спецификацией.

Пока что в процессе, компоненты были проверены, чтобы убедиться, что все компоненты имеют достаточное качество для использования в сборке.Однако одно это еще не гарантирует, что в результате будет получен хороший охлаждающий узел. Есть еще много проблем, которые могут возникнуть в процессе сборки. Три основные проблемы и способы их решения следующие:

1) Один или несколько модулей TE случайно перевернуты в охладитель: модули TE неизменно имеют провода, подключенные к горячей стороне модуля. Без питания модуля это единственный способ отличить горячую сторону от холодной стороны модуля.Когда модули подключаются к жгуту, можно непреднамеренно перевернуть модуль, чтобы он нагрелся, а не охладился. Это становится легче сделать, если модуль залит эпоксидной смолой, а модуль лишь немного толще, чем его подводящие провода. Поэтому в процессе сборки модули размещаются на радиаторе и на короткое время запитываются малым током. Затем сборщик проверяет правильность ориентации охлаждающих сторон модулей, касаясь каждого модуля и убедившись, что он работает в режиме охлаждения, а не в режиме нагрева.

2) Короткое замыкание провода ТЕ-модуля на теплоотвод или холодный сток: если лишний шарик припоя или жила провода контактирует с теплоотводом или холодным стоком, напряжение, подаваемое на термоэлектрики, может быть замкнуто на металлические поверхности охладитель, таким образом, создает потенциально опасные условия для любого, кто прикасается к устройству, когда оно находится под напряжением. TE Technology проверяет отсутствие коротких замыканий, измеряя высокопотенциальное сопротивление между проводкой модуля и открытыми металлическими поверхностями.

3) Неадекватные термоинтерфейсы: рассмотрим типичную систему охлаждения, в которой холодный сток, модули ТЕ и радиатор скреплены вместе винтами. Винты затянуты до определенного уровня, который, в свою очередь, преобразуется в определенную сжимающую силу, действующую на модуль, обеспечивая тесный тепловой контакт между модулями TE и поверхностями радиатора и пластин холодного отвода. Однако, если есть заусенец в любом из резьбовых отверстий, если на винте есть деформированная резьба, если винт слишком длинный или резьбовое отверстие слишком короткое, крутящий момент не преобразуется в надлежащую силу сжатия.Если под термопастой будет видна грязь или прядь волос, термоинтерфейс будет испорчен. Визуальный осмотр этой проблемы практически невозможен; тем более, что обычно по периметру модулей окружает пароизоляционная прокладка. TE Technology разработала уникальный тест качества теплового перехода для решения этой проблемы. С помощью вышеупомянутого термоэлектрического испытательного оборудования к термоэлектрическим модулям подается небольшой ток и создается разница температур между радиатором и холодным стоком.Затем ток отключают, и разность температур уменьшается. Модули TE действуют как малые генераторы энергии во время спада, поэтому, отслеживая соответствующую скорость спада напряжения, можно измерить качество термоинтерфейсов внутри сборки. Также проверяется сопротивление охладителя переменному току, чтобы убедиться, что паяные соединения в модулях не были повреждены в процессе сборки.

Эти тесты занимают всего несколько минут и проводятся на 100% сборок, произведенных TE Technology.Поскольку тест термоинтерфейса проходит так быстро, он стоит намного меньше, чем полный тест производительности, который является единственным способом проверить тепловые переходы в сборке.

Таким образом, для каждой сборки выполняются следующие тесты:

· Термоэлектрические свойства проверены для каждого модуля.

· Сопротивление переменного тока проверяется на каждом модуле, чтобы убедиться, что паяные соединения внутри модуля не повреждены.

· Физические размеры и отделка всех компонентов проверены.

· Модули проверяются на правильность полярности / ориентации проводки во время сборки.

· Высокопотенциальное сопротивление между проводкой модуля и открытыми металлическими поверхностями проверяется на отсутствие коротких замыканий.

· Термические интерфейсы проверены, поэтому надлежащая теплопередача гарантирована.

· Сопротивление переменному току каждой завершенной сборки проверяется, чтобы убедиться, что паяные соединения в модулях не были повреждены во время сборки.

Таким образом, следуя этой цепочке шагов, TE Technology может обеспечить стабильную производительность для каждого охлаждающего узла, который мы производим. Чтобы узнать больше об этих методах испытаний, просмотрите технические документы в разделе загружаемых публикаций в разделе загружаемых публикаций.

Вернуться к началу

22. Как работает система номеров деталей модуля TE Technology?

TE Technology состоят из трех различных компонентов – кода категории, конфигурации элемента и суффикса заливки.

Существует пять различных двухбуквенных кодов категорий. Ниже приводится список различных категорий модулей:

TE = стандартный, микро- и многоступенчатый

л.с. = высокая производительность

CH = центральное отверстие

VT = высокая температура

SP = последовательный / параллельный

За категорией модуля следует конфигурация элемента. Конфигурация элемента состоит из разных чисел, разделенных дефисом. Конфигурация может содержать до шести разных номеров в зависимости от категории модуля.

Обычно первое число указывает количество пар на ступень (см. Исключение ниже), за которым следует ширина элемента (в мм) и высота элемента (в мм). Например, CH-19-1.0-1.3 представляет собой модуль с центральным отверстием, который имеет 19 пар с элементами шириной 1,0 мм и высотой 1,3 мм. В этом примере высота элемента 1,3 мм НЕ включает толщину медной токопроводящей шины, припаянной с каждой стороны элемента. Размеры 1,0 мм и 1,3 мм относятся к самому полупроводниковому элементу.

Чтобы терминология была понятной, помните, что «элемент» – это один из полупроводниковых блоков внутри термоэлектрического модуля. Внутри модуля элементы всегда используются парами – один элемент N-типа и один элемент P-типа. Затем формируется «пара» из одного элемента N-типа и одного элемента P-типа, соединенных последовательно (электрически). Таким образом, для каждой пары в модуле будет два элемента. Иногда для обеспечения физической прочности, когда провода входят в модуль, в углу модуля добавляется избыточный элемент N-типа или P-типа, но они не учитываются для увеличения количества пар.

Кроме того, в конфигурацию некоторых высокопроизводительных или высокотемпературных модулей может быть добавлен четвертый номер, например HP-127-1.4-1.5-72. Это последнее число указывает DTmax материала, если он больше, чем тот, который используется для стандартных модулей. Следовательно, DTmax в этом случае составляет 72 ° C.

Последним компонентом номера детали модуля является суффикс заливки. Модуль может либо не иметь суффикса, который указывает на то, что этот модуль не заполнен (TE-63-1.4-1.15), либо он может иметь заглавную букву «P» (TE-63-1.4-1.15P), которая означает, что этот модуль залит. .Это означает, что по периметру модуля нанесен герметизирующий состав (Moisture Protection Ruggedizing).

Вернуться к началу

23. Как лучше всего прикрепить датчик температуры при измерении температуры или при использовании регулятора температуры?

Правильно прикрепить датчик температуры к какой-либо детали сложнее, чем кажется. Ознакомьтесь с нашим техническим руководством: приложение датчика [документ Adobe PDF].

Вернуться к началу

Термины и определения

Вернуться к началу

Техническая информация по узлам охлаждения

Инструкции ниже находятся в документах Adobe PDF. На большинстве компьютеров уже установлен Acrobat Reader.Если у вас нет, вы можете получить бесплатную программу Adobe Acrobat Reader здесь. (ссылка откроется в новом окне)

1. Щелкните здесь, чтобы просмотреть простой график, изображающий монтаж охлаждающего узла с использованием монтажных отверстий (более подробная информация по монтажу и размеры вырезов доступны в Руководстве по эксплуатации термоэлектрического охлаждающего узла, ссылка ниже).

2. Щелкните здесь, чтобы просмотреть инструкции по монтажу охлаждающего узла с использованием резьбовых втулок.

3. Щелкните здесь, чтобы просмотреть инструкции по установке термостата для защиты от перегрева (с использованием резьбовых втулок).

4. Щелкните здесь, чтобы просмотреть инструкцию по эксплуатации термоэлектрического охлаждающего узла (TCA).

Вернуться к началу

Техническая информация о модулях TE

Приведенные ниже процедуры находятся в документах Adobe PDF. На большинстве компьютеров уже установлен Acrobat Reader. Если у вас нет, вы можете получить бесплатную программу Adobe Acrobat Reader здесь. (ссылка откроется в новом окне)

1. Щелкните здесь, чтобы просмотреть процедуру монтажа стандартных и металлизированных модулей (инструкции по использованию термопасты и / или паяльных модулей).

2. Щелкните здесь, чтобы получить информацию о заливке (герметизации модуля) для защиты от влаги и повышения прочности.

Вернуться к началу

Технические документы и литература компании

Мы стремимся оставаться в авангарде термоэлектрических технологий и разработок в глобальном масштабе. При этом наш инженерно-технический персонал опубликовал широкий спектр технических документов по таким темам, как проектирование и проектирование, надежность и испытания материалов и устройств. Мы приглашаем вас изучить этот раздел и познакомиться с термоэлектрическим полем.

Информация для заказа [Adobe PDF]

Полный список наших загружаемых публикаций и литературы компании можно просмотреть, выбрав пункт меню «Загрузки» или щелкнув здесь.

Вернуться к началу

Испытание эффективности охлаждения с эффектом Пельтье

Модуль Пельтье – это твердотельное устройство, которое часто используется для охлаждения. Их можно найти в некоторых портативных холодильниках для перевозки еды на пляж. или в диспенсерах для воды, подобных показанному ниже.

Хотя они полезны для этих целей, они не очень эффективный. Только около 5% электроэнергии используется для питания их привыкает для охлаждения. Я решил провести простой тест на эффективность показано здесь. Я не тестировал модуль напрямую, а вместо этого тестировал насколько эффективно он может охлаждать 250 мл воды.

Обратите внимание, что есть два типа модулей Пельтье, рассчитанных на два Различное назначение: ТЭО и ТЭГ. TEC означает термоэлектрический охладитель, и это тип, используемый здесь на этой странице. TEG означает Термоэлектрический генератор и превращает разницу температур в электричество.

Ниже показана внутренняя часть дозатора воды сзади, а также детали, которые я взял из него для этого тестирования.

Как показано ниже, модуль Пельтье застрял в задней части теплообменника. раковина с термопастой. Вентилятор был прикреплен к другой стороне радиатор для всасывания воздуха через ребра радиатора, переносящего тепло прочь с этим.Все это было поставлено на банки, чтобы было комната внизу, чтобы воздух мог выходить.

Вы также можете увидеть, что термопара была вставлена ​​в отдельный емкость с теплой водой. Это произошло потому, что плата управления отключите модуль Пельтье, если вода на термопаре была подходящая температура для диспенсера воды. Поскольку мне было наплевать насчет поддержания этой температуры, я обманул его, посидив в вода, температура которой никогда не изменится.В результате По этой причине плата управления не отключила бы модуль Пельтье.

Как показано ниже, я поставил квадратный кусок алюминия на Пельтье. модуль к более эффективно отводить тепло от банки, которая бы сидела сверху его, на всю поверхность модуля. Затем я поставил банку содовой на что.Верхняя часть банки была открыта, а дно сплющено. насколько это возможно. Затем по всему периметру была добавлена ​​изоляция. Я хотел получать тепло от воды в банке, а не от окружающего воздуха. Залил внутрь 250 мл воды. Затем внутрь был вставлен термометр, который мог измерять низкие температуры. И, наконец, отверстие в верхней части банки был покрыт еще утеплителем.

Осциллограф был подключен параллельно электрическому выходу. платы управления, идущей к модулю Пельтье. Амперметр был подключен последовательно с положительными проводами, идущими от блока управления платы к модулю Пельтье. Схема была включена с помощью переключатель включения / выключения и начальная температура воды была записана. Напряжение и ток имели первоначальный скачок длительностью несколько секунд, а затем поселился.Затем их значения были записаны.

Через час значения были записаны снова. Ценности также были просмотрел в течение часа, но не записал. Напряжение и ток постепенно снижалась в течение часа, как и температура.

Расчет эффективности охлаждения Пельтье

250 мл воды (0.55 фунтов)

входная мощность = 13.1 В * 3,8 А = 49,8 Вт = 49,8 Дж / сек

подводимая энергия = 49,8 джоулей / сек * 3600 сек = 179 280 джоулей

изменение температуры = 64,4 F – 58,1 F = 6,3 F

БТЕ, используемые для охлаждения = 0,55 фунта * 6,3F * 1 БТЕ / фунт-сила = 3,465 БТЕ

энергия, используемая для охлаждения = 3,465 БТЕ * 1055 джоулей / БТЕ = 3655,58 джоулей

КПД = 3655,58 / 179 280 = 0,02039 = 2%

Это примерно то, что ожидалось.Модули Пельтье есть только около Эффективность 5%. Это означает, что было около 3% дополнительных потерь.

Видео – Охлаждение модуля Пельтье – Эффект Пельтье

На следующем видео показано, как взять модуль Пельтье из вышеуказанного. диспенсер для воды и выполнение этого теста эффективности охлаждения Пельтье.