2017-03-08

Moduły Peltiera

Ogniwa Peltiera mogą pracować jako elementy chłodzące, gdyż wytwarzają różnicę temperatur pod wpływem przepływu prądu. Od odkrycia zjawiska termoelektrycznego upłynęło już ponad 150 lat, ale dopiero rozwój techniki i technologii materiałowej ostatnich kilkunastu lat pozwolił skonstruować dość sprawne i komercyjnie dostępne moduły termoelektryczne, czyli pompy ciepła wykorzystujące efekt Peltiera, które są również nazywane ogniwami Peltiera lub termomodułami.

Ogniwa Peltiera umożliwiają wytworzenie różnicy temperatur pomiędzy stronami modułu na skutek przepływu prądu elektrycznego. Aby wyjaśnić zjawiska fizyczne występujące na styku dwóch przewodników lub półprzewodników, należy zacząć od zjawiska Seebecka.

Zjawisko Seebecka

Na zjawisku Seebecka opiera się działanie termopar, przyrządów służących do pomiaru temperatury. Pod wpływem różnicy temperatur na dwóch złączach, wykonanych z różnych materiałów przewodzących, powstaje siła termoelektryczna. Główną zaletą tego elementu jest bezpośrednie przetwarzanie wielkości nieelektrycznej -temperatury na wielkość elektryczną, jaką jest napięcie. Ponadto termo-pary są niezawodne, proste i tanie. Aby wyjaśnić to zjawisko, trzeba odwołać się do elektronowej budowy metali.

Metal składa się z jonów dodatnich tworzących sieć krystaliczną i swobodnych elektronów poruszających się pomiędzy jonami. Koncentracja elektronów swobodnych (liczba elektronów w jednostce objętości) jest różna w różnych metalach i zależy od temperatury. Na styku dwóch metali następuje przepływ elektronów z metalu o większej koncentracji do metalu o mniejszej koncentracji, wskutek czego jeden z metali ładuje się dodatnio, a drugi ujemnie.

Powstające pole elektryczne zaczyna przeciwdziałać dalszemu przepływowi ładunku. Ustala się stan równowagi dynamicznej.

Różnica potencjałów powstająca na styku dwóch metali nazywana jest kontaktową różnicą potencjałów, a jej wartość zależy od rodzaju stykających się metali oraz temperatury złącza.

kontaktowa różnica na styku dwóch materiałów przewodzących

W przypadku obwodu zamkniętego złożonego z dwóch różnych metali, w których temperatury złącz są jednakowe, napięcie UAB powstające na jednym ze złącz jest kompensowane przez napięcie UAB na drugim złączu. W obwodzie prąd nie płynie (rys1). Jeżeli temperatury złącz T1 i T2 są różne, to wartość napięcia UAB jest różna od wartości napięcia UBA i w obwodzie pojawi się siła termoelektryczna U= UAB-UBA powodująca przepływ prądu elektrycznego.

Zjawisko Peltiera

Zjawisko podgrzewania i ochładzania się złącza wykonanego z dwóch różnych przewodników pod wpływem przepływu prądu elektrycznego jest pokrewne zjawisku Seebecka i zostało odkryte w 1834 r. przez Francuza Jeana Peltiera. Polega ono na wydzielaniu lub pochłanianiu ciepła QP podczas przepływu prądu przez złącze zbudowane z dwóch różnych metali lub półprzewodników. Aby przenieść ładunek elektryczny q przez złącze, na którym występuje różnica potencjałów UAB, należy wykonać pracę:

W= qUAB

W celu utrzymania stałej temperatury złącza należy doprowadzić lub pobrać ciepło:

Qp = qΠp

gdzie: QP jest ciepłem Peltiera, Pp to stała Peltiera, która nie zależy od natężenia prądu płynącego przez złącze oraz powierzchni,
a q – ładunkiem przepływającym przez złącze, q= It.

Πp = αT

gdzie: a jest współczynnikiem Seebecka zdefiniowanym dla obydwu materiałów tworzących złącza, T -temperaturą złącza w stopniach Kelvina.

W zależności od kierunku prądu ciepło jest wydzielane lub pobierane, więc Qp może być dodatnie lub ujemne.
Jeżeli przez złącze płynie prąd I to wydzielana moc jest równa:

Całkowita energia wydzielona w układzie jest równa sumie ciepła Joule’a (Pj=RI2 ) oraz ciepła Peltiera.

Należy tutaj dodać, że na efekt Peltiera nałożone jest jednocześnie zjawisko Thomsona. Efekt cieplny związany z przepływem prądu przez złącza zbudowane z metali lub półprzewodników o różnych temperaturach jest naprawdę sumą efektu Peltiera oraz efektu Thomsona i ciepła Joule,a.

Zjawisko Thomsona

Zjawisko Thomsona polega na wydzielaniu lub pobieraniu ciepła w przewodniku z prądem, którego temperatura nie jest jednakowa w każdym punkcie. Między dwoma punktami metalu o różnej temperaturze powstaje siła elektromotoryczna nazywana siłą termoelektryczną Thomsona. Niezależnie od temperatury przewodnika, w obwodzie zamkniętym zbudowanym tylko z niego wypadkowa siła elektromotoryczna równa się zeru (nie płynie prąd). Różnica potencjałów między punktami tego samego metalu zależy tylko od różnicy ich temperatur (nie zależy od temperatury punktów metalu znajdujących się między nimi).

gdzie dt jest współczynnikiem Thomsona i ma wymiar V/K (napięcie powstałe między dwoma punktami o jednostkowej różnicy temperatury). Współczynnik Thomsona zależy od temperatury.

wzór thomsona

Jeżeli przez przewodnik, w którym występuje gradient temperatury płynie prąd I, to w czasie t następuje wydzielanie lub pochłanianie ciepła w ilości określonej wyrażeniem:

Dla małych różnic temperatur stosuje się przybliżenie:

przybliżenie - zjawisko thomsona

Zjawisko to nazywamy zjawiskiem Thomsona. Współczynnik Thomsona uznaje się za dodatni jeżeli przepływ prądu od punktu o temperaturze wyższej do punktu o temperaturze niższej powoduje wydzielanie ciepła, w przeciwnym przypadku jest ujemny.

Konstrukcja modułów Peltiera

Współcześnie produkowane termoelementy wykorzystujące zjawisko Peltiera znajdują coraz szersze zastosowania poczynając od optoelektroniki jako chłodziarki detektorów promieniowania podczerwonego poprzez elementy chłodzące mikroprocesory, a kończąc na lodówkach turystycznych zasilanych z samochodowego akumulatora. Obecnie produkowane termomoduły są zbudowane jako stos połączonych szeregowo i ustawionych obok siebie termopar, wykonanych z dwóch różnych materiałów półprzewodnikowych.

Cały stos jest umieszczony pomiędzy dwiema ceramicznymi płytkami stanowiącymi powierzchnie aktywne modułu. Moduły takie są wykonywane kaskadowo (jeden na drugim) i mówimy wtedy o konstrukcji dwustopniowej modułu. Sterując kierunkiem przepływu prądu przez termomoduł uzyskujemy efekt grzania lub odbierania ciepła, w zależności od kierunku przepływu prądu. Budowę jednostopniowego modułu Peltiera wyjaśniono na rys. 2.

W budowie modułu Peltiera można wyróżnić następujące elementy:

budowa peltiera

Stos termopar półprzewodnikowych wykonanych najczęściej z telurku bizmutu, telurku antymonu, lub też innych materiałów pozwalających uzyskać wysoką efektywność działania termomodułu przy jednoczesnej łatwości produkcji.

Płytki ceramiczne dla strony gorącej i zimnej (i pośrednie dla modułów wielostopniowych), które scalają mechanicznie cały moduł. Płytki te muszą jednocześnie zapewniać dobrą izolację elektryczną od chłodzonego obiektu i dobrą przewodność cieplną.

budowa modułu peltiera

Budowę termomodułu Peltiera przedstawiono na rys 3 i 4.

budowa termomodułu peltiera

Płytki ceramiczne, tworzące odpowiednio gorącą i zimną stronę modułu, wykonane są najczęściej z tlenku aluminium AL2O3, zapewniającego dobry stosunek jakości materiału do kosztów produkcji. Inne materiały takie, jak azotek aluminium (AIN) i tlenek berylu (BeO) mają dużo lepsze właściwości termiczne niż tlenek aluminium, ale są wielokrotnie droższe, a dodatkowo technologia produkcji tlenku berylu jest toksyczna.

Umieszczając moduł Peltiera pomiędzy radiatorem, a obiektem chłodzonym, którym może być np. mikroprocesor w komputerze lub dowolny inny podzespół wymagający chłodzenia, uzyskujemy system, w którym można sterować temperaturą przez regulację wartości prądu przepływającego przez moduł. Należy pamiętać, że po gorącej stronie modułu ciepła będzie teraz więcej, należy więc odpowiednio powiększyć radiator lub wentylator, aby je odebrać. Natomiast po stronie zimnej temperaturę można znacznie obniżyć, przy czym ważne jest, aby nie przekroczyć dopuszczalnej dla danego typu modułu różnicy temperatury pomiędzy gorącą i zimna stroną. Typowo różnica ta wynosi 700C.

Z elektrycznego punktu widzenia jest ważne, aby pulsacja prądu płynącego przez moduł nie przekraczała 15% wartości znamionowej prądu dopuszczalnego dla danego modułu, w przeciwnym wypadku moduł może ulec uszkodzeniu. Dotyczy to szczególnie regulacji termostatycznej typu włącz/wyłącz, która przez wielu producentów jest niedopuszczalna.

Moduły Peltiera są produkowane o mocach od kilku do ok.100 watów.

Porównywarka cen sprzętu RTV

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *