Элемент пельтье характеристики: Элемент Пельтье TEC1-12706. Параметры, условия эксплуатации

Содержание

Элемент Пельтье, принцип работы

Что такое элемент Пельтье – электро-, термопреобразователь, который состоит из нескольких пар ( в отдельных случаях одной) полупроводников различных по свойству типов («n» и «р»), последние соединяются перемычками из металла – в основном это – медь. На практике данное устройство создает температурную разность на разных концах поверхности при протекании энергии электрического тока.

Принцип работы элемента Пельтье
Как работает элемент Пельтье
Основные эксплуатационные характеристики элемента Пельтье
Достоинства и недостатки модуля Пельтье
Область применения элементов Пельтье

Одним из наиболее простейших вариантов данного устройства Пельтье в практическом использовании является модификация ТЕС1-12706, изображенная на рисунке 1.

Принцип работы элемента Пельтье

В корне принципа работы положен термоэлектрический эффект Пельтье. Другими словами – при протекании и под действием электрического тока создается разница температур в местах контактов термопар – полупроводников «n» и «р» – типа.

Элементы Пельтье – доволи таки «чувствительные устройства» к перегреву и высоким температурам. К ним предъявляются высокие требования к эксплуатации, при невыполнении которых, устройство быстро выходит из строя. Очень важно отводить тепло, для этой цели необходимо устанавливать радиатор или вентилятор, в противном случае не достигается температура холодной стороны относительно горячей.

Как работает элемент Пельтье

Представим, что электрический ток проходит через термическую пару, как показано на рисунке 2.

В этом случае происходит процесс поглощения энергии тепла на полупроводниковом контакте n – p и процесс выделения тепловой энергии на p – n контакте. В итоге часть термопары полупроводника, который сопрягается с n – p контактом, будет охлаждаться, а вторая часть с другой противоположной стороны – соответственно, нагреваться.

В том случае, когда поменяем полярность по току, то происходит процессы нагревания и охлаждения, соответственно, также поменяются.

Обратный процесс эффекта Пельтье приводит к тому, что при подводе теплоты к одной стороне термопреобразователя получают энергию электрического тока.

Конечно на практике, применение одной термопары не хватает для полного отвода тепловой энергии, поэтому в преобразователе применяют большое количество. Электрическая цепь собирается из термопар последовательно. В то же время в конструкции термопреобразовательных элементов: нагревающие термопары располагаются на другой стороне относительно охлаждающих.

Устройство элемента Пельтье очень простое. Термические пары конструируются между двумя платинами, выполненными из керамики. Соединение термопар производится медными проводниками (шинами). Количество термопар определяется назначением термопреобразователя, его мощности и места установки и может применяться от одной до нескольких сотен штук.

org/ImageObject”>

Основными элементами термопреобразователя являются: полупроводники р – типа, n – типа, керамические пластины, медные сопряжения – проводники; контакты подвода электрического тока «плюс» и «минус». Для элемента Пельтье разница по температурам разных краев термопар достигает до 70 градусов по Цельсию. Чтобы увеличить данную разницу требуется увеличить каскад последовательного включения термопар.

Основные эксплуатационные характеристики элемента Пельтье

Данное устройство в целом идеально работает в тех случаях, когда хорошо и надежно контактируют термопары с охладительным устройством, будь то радиатор охлаждения или вентилятор охлаждения со змеевиком, то есть – хороший теплосъем.

Модули Пельтье, как их часто называют, очень чувствительны к перепадам по току и напряжению (не более 5 %). Под действием высоких температур (наиболее критическая для элементов до 150 градусов) эффективность снижается во много раз (до 40 %) и модуль очень быстро ломается.

Как правило, в схему работы полупроводниковых элементов недопустимым условием является приспособление релейных устройств: ограничивающих мощность или регулирующих. Это приводит к деградации кристаллических составляющих и к неисправности в скором времени элемента.

Частое включение и выключение устройств также негативно влияет на работу и срок эксплуатации, и его долговечность функционирования. Согласно законов физики – любой нагрев материала приводит к его тепловому расширению, а охлаждение – к сжатию. Соответственно, особенно слабыми местами в полупроводниковых элементах являются «паечные», где из-за механического движения возможно появление дефектов в виде микротрещин и в конце концов к разрыву цепи.

Коэффициент теплопроводности термических пар элемента Пельтье достаточно высок, что с одной стороны является достоинством, а с другой стороны ограничивает срок эксплуатации и расчетное число циклов «стоп-старт-стоп».

Достоинства и недостатки модуля Пельтье

Сравнивать устройство Пельтье с другими охладительными установками с различным приводом в принципе невозможно и нецелесообразно, так как в первом случае имеют полупроводниковые материалы в виде кристаллов, а во втором случае рабочее тело – газ или жидкость ( к примеру: компрессорный холодильник). В различных областях применяются и те и другие устройства.

К преимуществам элементов Пельтье можно отнести:

полное отсутствие механики движения и вращающихся частей, а также жидкостей, газов;
абсолютно нет шума работы устройств;
сравнительно малые размеры;
двухфункциональность: нагревание и охлаждение при изменении полярности;

К недостаткам можно отнести:

относительно низкий коэффициент полезного действия;

требование постоянного источника энергии, питания;
число пусков и остановов ограничено;
плавность отключения и включения термоэлектрических устройств;
контроль нагрева с одной стороны или охлаждения с другой с помощью вентилятора.

Область применения элементов Пельтье

Основной и наиболее широким применением термоэлектрические преобразователи нашли в следующих приборах, аппаратах и устройствах:

автохолодильники и бытовые аппараты;
водо- и воздухоохладители;
в электронных приборах и устройствах также в качестве охлаждения;
в генераторах электротермических.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 7 чел.

Средний рейтинг: 4.6 из 5.

Элемент Пельтье TEC1-12715 12В 15А 40 х 40 мм

Электроизоляционные и термостойкие материалы
Теплопроводящие материалы
Элементы пельтье

Каталог

Информация

Доставка по России

Мы доставим ваш заказ курьером по Москве или службой экспресс-доставки по всей России.

— это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. Элементом модуля ТЭМ является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой пластиной из меди.
Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. 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. При помощи элементов Пельтье можно и вырабатывать электричество. Если создать на разных сторонах пластины разницу температур внешним воздействием, то элемент начинает вырабатывать электричество. Т.е. работает как электрогенератор.

Характеристики:

размер: 40*40*4,1 мм
номинальное напряжение питания: 12 вольт
максимальное напряжение питания: 15,4 вольт
номинальная сила тока: 15 ампер
потребляемая мощность: 180 ватт при Uпит=12 вольт
холодопроизводительность: ~135 ватт при Uпит=12 вольт
максимальная разность температур: 60°С

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) представляют собой тепловые насосы, передающие тепло с одной стороны на другую в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

–> Купить контроллер TEC здесь

Содержание

Основы элемента Пельтье
- Модель элемента Пельтье
- Параметры элемента Пельтье
Свойства и поведение элементов Пельтье
- Сравнение теплового насоса с текущим
- Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)
- Отвод тепла от элемента Пельтье
- Зависимость отведенного тепла от dT
- Напряжение в зависимости от тока
Многоступенчатые элементы Пельтье
Производители

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье способен передавать тепло с помощью эффекта Пельтье. Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами, когда течет ток.

В зависимости от направления протекания постоянного тока можно охлаждать и нагревать с помощью элементов Пельтье без замены разъемов или механической настройки. Дополнительные преимущества заключаются в возможности реализации небольших конструкций и отсутствии движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, регулируется контроллером ТЭО.

Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье

Обычно идентификация производителя напечатана на холодной стороне элемента Пельтье. Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье

Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снижать охлаждающую способность элемента.

Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют различные типы элементов Пельтье. Они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.

Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные формы
Диапазон температур: перепад температур dT _макс. до 130 °C (многоступенчатый), макс. температура до 200 °C
Максимальная мощность охлаждения: до 290 Вт

Элемент Пельтье Модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели. В этой модели учитываются следующие три эффекта

Эффект Пельтье Q _p : Перенос тепла с одной стороны на другую. Описано в этом уравнении Q _p = I * α * T
Обратный поток тепла Q _Rth : Поток тепла с горячей стороны на холодную. Описано в этом уравнении Q _Rth = dT / Rth
Джоулевы нагрев/потери Q _Rv представляет собой сопротивление R _v : Описанное в этом уравнении Q _Rv = I ² * R _v / 2.
холодная сторона. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не включается в это уравнение.

Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q _c зависит от трех эффектов Q _p , Q _Rth и Q _Rv.

В случае охлаждения уравнение для Q _c . выглядит следующим образом: Q _c = Q _p – Q _Rth – Q _Rv .

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляются производителем: Q _max , dT _max , U _max , I _max

Q _max : Максимальная производительность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной сторонами 0 °K
dT _max : Максимальная разность температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
I _макс. : Ток через элемент Пельтье при Q _макс.
U _макс. : Напряжение через элемент Пельтье при Q _макс.

Параметры Q _max и dT _max являются теоретическими цифрами и используются для описания поведения элементов Пельтье. Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрическом приложении. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.

В термоэлектрическом применении всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q _c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементами Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье. Подобные схемы иногда используют и производители, например Ferrotec. Все значения на графиках относительные.

Зависимость теплового насоса от тока

На этой нормализованной диаграмме показано соотношение между выходной мощностью теплового насоса по оси y и током по оси x для различных значений разности температур между горячей и холодной сторонами (dT = T _{горячий} – T _{холодный} ) в случае охлаждения.

Динамика системы. Нормированная диаграмма Тепловой насос в зависимости от тока

Только при относительно небольшой разнице температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда необходимы более высокие перепады температур.

Перекачиваемое тепло Q _C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, так как тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.

Обычно ток через элемент Пельтье должен составлять от 0 до 0,7 умноженного на I _max .

Динамика системы

Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос в зависимости от тока

Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры (и, следовательно, dT) или при увеличении тепловой нагрузки.

Если мы используем элемент Пельтье с током около 25 % от I _макс. можно компенсировать повышение dT на 10 градусов по Кельвину — точка от A до B — Чтобы обеспечить постоянную производительность теплового насоса, ток должно быть увеличено. Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если мы перейдем от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I _max, нам потребуется больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать 10- Повышение dT по шкале Кельвина — точки от D до E — когда производительность теплового насоса не должна изменяться. Производительность теплового насоса можно увеличить без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает при максимальном токе, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока. Переход от более низкой к более высокой разности температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)

Определение COP – это теплота, поглощаемая на холодной стороне Q _C, деленная на входную мощность P _el элемента Пельтье: COP = Q _C/P _эль. COP в принципе представляет собой эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

На следующей диаграмме показана производительность (COP) в зависимости от отношения тока I / I _max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.

На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от текущего соотношения. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий наибольшую производительность для соответствующей разницы температур dT.

С левой стороны мы видим, что КПД максимален при наименьшем перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электрической мощности. Как видим, в зависимости от dT соответствующий максимум КПД находится на разных уровнях тока — при большем dT он смещается вправо. Если мы проследим за кривой вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить только небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что более высокие токи необходимы для создания более высоких перепадов температур.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT > 0 K, заключается в том, что сначала обратный поток тепла Q _Rth должен быть компенсирован эффектом Пельтье Q _p, прежде чем элемент Пельтье остынет.

Тепло, отводимое элементом Пельтье

На следующей диаграмме показана теплота Q _h, рассеиваемая на теплой стороне элемента Пельтье, в зависимости от тока при охлаждении.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока при различных перепадах температур dT.

Значения нормализованные и относительные. Как видите, Q _h, отклоненное элементом Пельтье, может быть в 2,6 раза больше Q _max. Количество тепла на горячей стороне Q _h может быть таким большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q _p и тепло сопротивления потерь Q _Rv должны рассеиваться. Q _h = Q _p + Q _{Применяется Rv}.

Зависимость отведенного тепла от dT

На следующей диаграмме показано соотношение между Q _h и Q _C для разных dT в случае охлаждения. Отношение Q _h / Q _c показывает, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.

Нормализованная диаграмма, показывающая количество тепла, отводимого радиатором, в зависимости от количества перекачиваемого тепла в зависимости от тока для различных значений dT.

Это означает, что при большом dT теплоотвод рассеивает большое количество тепла при сравнительно малом количестве тепла, поглощаемом на холодной стороне элемента Пельтье.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q _C = 1 Вт. Это приводит к теплу 1,75 Вт на горячей стороне Q _h = 1,75 Вт, если dt = 20 K. При dT = 40 K это около 3,5 Вт на горячей стороне Q _ч = 3,5 Вт. при разных значениях температурных перепадов между горячей и холодной стороной (dT = T _{горячий} – T _{холодный} ) в случае охлаждения.

Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных значений dT.

Как видите, кривая линейна. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения. Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси Y связано с эффектом Зеебека.

Многоступенчатый элемент Пельтье

Многоступенчатый элемент Пельтье

Все приведенные выше схемы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многокаскадные элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 К). Но Q _max ниже, т.е. может рассеивать меньше тепла. Это недостаток многокаскадных элементов Пельтье.

Изготовители

Изготовители	Описание	Страна
Deltron AG www. deltron.ch	Термоэлектрические модули	Швейцария
Ferrotec Thermal.ferrotec.com	Термоэлектрические модули	США, Азия, Европа
Laird www.lairdthermal.com	Термоэлектрические модули	Соединенное Королевство
II-VI www.i-vi.com	Термоэлектрические модули	США, Азия, Европа
Устройства CUI www.cuidevices.com	Термоэлектрические модули	США
Peltron GmbH www.peltier.de	Термоэлектрические модули, элементы для термоциклирования	Германия
Европейская термодинамика, ООО www.europeanthermodynamics.com	Термоэлектрические модули, элементы для термоциклирования	Германия

–> Купить контроллер TEC здесь

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) представляют собой тепловые насосы, которые переносят тепло с одной стороны на другую в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

–> Купить контроллер TEC здесь

Содержание

Основы элемента Пельтье
- Модель элемента Пельтье
- Параметры элемента Пельтье
Свойства и поведение элементов Пельтье
- Сравнение теплового насоса с текущим
- Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)
- Отвод тепла от элемента Пельтье
- Зависимость отведенного тепла от dT
- Напряжение в зависимости от тока
Многоступенчатые элементы Пельтье
Производители