Διαδοχική ενεργοποίηση στοιχείων Peltier. Στοιχεία Peltier ή η πορεία μου προς τις κρυογονικές θερμοκρασίες

Το 1834, ο Γάλλος φυσικός Jean Charles Peltier, μελετώντας την επίδραση του ηλεκτρισμού στους αγωγούς, ανακάλυψε ένα πολύ ενδιαφέρον φαινόμενο. Εάν περάσετε ρεύμα μέσω δύο ανόμοιων αγωγών που βρίσκονται σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους, τότε ένας από αυτούς τους αγωγούς αρχίζει να θερμαίνεται πολύ και ο δεύτερος, αντίθετα, αρχίζει να κρυώνει πολύ. Η ποσότητα της θερμότητας που παράγεται και απορροφάται εξαρτάται άμεσα από την ισχύ και την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος. Εάν αλλάξετε την κατεύθυνση του ρεύματος, η κρύα και η ζεστή πλευρά θα αλλάξουν θέση. Λίγο αργότερα, αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε φαινόμενο Peltier και βολικά ξεχάστηκε λόγω της πρακτικής έλλειψης ζήτησης εκείνη την εποχή.

Και μόνο μετά από περισσότερα από εκατό χρόνια, με την άνοδο της εποχής των ημιαγωγών, υπάρχει επείγουσα ανάγκη για συμπαγείς, φθηνούς και αποδοτικούς ψύκτες. Έτσι, στη δεκαετία του '60 του 20ου αιώνα, εμφανίστηκαν οι πρώτες θερμοηλεκτρικές μονάδες ημιαγωγών, οι οποίες ονομάστηκαν στοιχεία Peltier.

Η βάση οποιασδήποτε θερμοηλεκτρικής μονάδας είναι το γεγονός ότι διαφορετικοί αγωγοί έχουν διαφορετικά επίπεδα ενέργειας ηλεκτρονίων. Με άλλα λόγια, ένας αγωγός μπορεί να αναπαρασταθεί ως περιοχή υψηλής ενέργειας, ο δεύτερος αγωγός ως περιοχή χαμηλής ενέργειας. Όταν δύο αγώγιμα υλικά έρχονται σε επαφή, ενώ ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από αυτά, ένα ηλεκτρόνιο από μια περιοχή χαμηλής ενέργειας πρέπει να μετακινηθεί σε μια περιοχή υψηλής ενέργειας.

Αυτό δεν θα συμβεί εάν το ηλεκτρόνιο δεν αποκτήσει την απαιτούμενη ποσότητα ενέργειας. Τη στιγμή που αυτή η ενέργεια απορροφάται από το ηλεκτρόνιο, το σημείο επαφής μεταξύ των δύο αγωγών ψύχεται. Αν αλλάξετε την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος, αντίθετα, θα προκύψει η επίδραση της θέρμανσης του σημείου επαφής.

Μπορούν να χρησιμοποιηθούν οποιοιδήποτε αγωγοί, αλλά αυτή η επίδραση γίνεται φυσικά αισθητή και σημαντική μόνο όταν χρησιμοποιούνται ημιαγωγοί. Για παράδειγμα, όταν τα μέταλλα έρχονται σε επαφή, το φαινόμενο Peltier είναι τόσο ασήμαντο που είναι πρακτικά απαρατήρητο στο φόντο της ωμικής θέρμανσης.

Μια θερμοηλεκτρική μονάδα (TEM), ανεξάρτητα από το μέγεθος και τον τόπο εφαρμογής της, αποτελείται από διαφορετικό αριθμό λεγόμενων θερμοστοιχείων. Ένα θερμοστοιχείο είναι το ίδιο το δομικό στοιχείο από το οποίο κατασκευάζεται οποιοδήποτε TEM. Αποτελείται από δύο ημιαγωγούς με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας. Όπως είναι γνωστό, υπάρχουν δύο τύποι αγωγιμότητας τύπου p και n. Κατά συνέπεια, υπάρχουν δύο τύποι ημιαγωγών. Αυτά τα δύο ανόμοια στοιχεία συνδέονται σε ένα θερμοστοιχείο χρησιμοποιώντας μια χάλκινη γέφυρα. Άλατα μετάλλων όπως βισμούθιο, τελλούριο, σελήνιο ή αντιμόνιο χρησιμοποιούνται ως ημιαγωγοί.

Το TEM είναι ένα σύνολο παρόμοιων θερμοστοιχείων που συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά. Όλα τα θερμοστοιχεία βρίσκονται ανάμεσα σε δύο κεραμικές πλάκες. Πλάκα Peltier. Οι πλάκες είναι κατασκευασμένες από νιτρίδιο αλουμινίου ή οξείδιο αλουμινίου. Ο αριθμός των θερμοστοιχείων σε ένα στοιχείο μπορεί να ποικίλλει μέσα σε πολύ μεγάλα όρια, από λίγα κομμάτια έως αρκετές εκατοντάδες ή χιλιάδες.

Με άλλα λόγια, τα στοιχεία Peltier μπορούν να έχουν απολύτως οποιαδήποτε ισχύ, από εκατοστά έως αρκετές εκατοντάδες ή χιλιάδες Watt. Συνεχές ρεύμα διέρχεται διαδοχικά από όλα τα θερμοστοιχεία και ως αποτέλεσμα, η επάνω κεραμική πλάκα ψύχεται και η κάτω, αντίθετα, θερμαίνεται. Εάν αλλάξετε την κατεύθυνση του ρεύματος, οι πλάκες θα αλλάξουν θέση, η επάνω θα αρχίσει να θερμαίνεται και η κάτω θα αρχίσει να κρυώνει.

Υπάρχει ένα χαρακτηριστικό στη λειτουργία του στοιχείου που χρησιμοποιείται ενεργά για τη βελτίωση της απόδοσης ψύξης αυτής της συσκευής. Όπως είναι γνωστό, όταν το ρεύμα διέρχεται από ένα στοιχείο Peltier, προκύπτει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας που θερμαίνεται και της επιφάνειας που ψύχεται. Έτσι, εάν η επιφάνεια που θερμαίνεται ενεργά υποβάλλεται σε εξαναγκασμένη ψύξη. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας ειδικό ψυγείο, αυτό θα οδηγήσει σε ακόμα πιο δυνατή ψύξη της επιφάνειας, δηλαδή αυτής που ψύχεται. Σε αυτή την περίπτωση, η διαφορά θερμοκρασίας με τον περιβάλλοντα αέρα μπορεί να φτάσει αρκετές δεκάδες μοίρες.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Όπως κάθε τεχνική συσκευή, μια θερμοηλεκτρική μονάδα έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του:

Το πρόβλημα της αύξησης της αποτελεσματικότητας των TEM βασίζεται σε ένα τεχνικό παζλ που είναι μέχρι στιγμής άλυτο. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια έχουν, μάλιστα, διττή φύση, η οποία εκδηλώνεται στην πράξη και είναι ταυτόχρονα φορείς τόσο του ηλεκτρικού ρεύματος όσο και της θερμικής ενέργειας. Κατά συνέπεια, ένα εξαιρετικά αποδοτικό στοιχείο Peltier πρέπει να είναι κατασκευασμένο από ένα υλικό που έχει ταυτόχρονα δύο αμοιβαία αποκλειστικές ιδιότητες. Αυτό το υλικό θα πρέπει να άγει καλά τον ηλεκτρισμό και τη θερμότητα κακώς. Μέχρι στιγμής, τέτοιο υλικό δεν υπάρχει στη φύση, αλλά οι επιστήμονες εργάζονται ενεργά προς αυτή την κατεύθυνση.

Όλες οι θερμοηλεκτρικές μονάδες έχουν τα κατάλληλα τεχνικά χαρακτηριστικά:

Εφαρμογή ΤΕΜ

Παρά το σοβαρό μειονέκτημα που είναι εγγενές σε όλα τα στοιχεία Peltier χωρίς εξαίρεση, δηλαδή την πολύ χαμηλή απόδοση, αυτές οι συσκευές έχουν βρει αρκετά ευρεία εφαρμογή τόσο στην επιστήμη και την τεχνολογία όσο και στην καθημερινή ζωή.

Οι θερμοηλεκτρικές μονάδες είναι σημαντικά στοιχεία σχεδιασμού τέτοιων συσκευών όπως:

Στοιχείο Peltier στα χέρια ενός οικιακού τεχνίτη

Πρέπει να κάνουμε αμέσως κράτηση: η κατασκευή ενός θερμοηλεκτρικού στοιχείου μόνοι σας είναι, τουλάχιστον, μια εργασία χωρίς νόημα και περιττή για κανέναν. Εκτός κι αν ο κατασκευαστής είναι μαθητής της έβδομης τάξης και έτσι εδραιώσει τις γνώσεις που αποκτήθηκαν στα μαθήματα φυσικής.

Πολύ πιο εύκολο να αγοράσετε νέο θερμοηλεκτρικό στοιχείοστο σχετικό κατάστημα. Ευτυχώς είναι φθηνά και δεν λείπουν οι επιλογές για ένα συγκεκριμένο μοντέλο. Και εκτός από το γεγονός ότι δεν υπάρχει τίποτα να σπάσει ή να φθαρεί σε αυτά, οποιοδήποτε θερμοστοιχείο αφαιρεθεί από έναν παλιό υπολογιστή ή ένα κλιματιστικό αυτοκινήτου δεν θα διαφέρει στα τεχνικά του χαρακτηριστικά από ένα νέο.

Το πιο δημοφιλές μοντέλο θερμοστοιχείων είναι το TEC1-12706. Οι διαστάσεις αυτής της συσκευής είναι 40 επί 40 χιλιοστά. Αποτελείται από 127 θερμοστοιχεία συνδεδεμένα μεταξύ τους σε σειρά. Σχεδιασμένο για ρεύμα 5 Α, με τάση κυκλώματος 12 V. Ένα τέτοιο στοιχείο κοστίζει κατά μέσο όρο από 200 έως 300 ρούβλια. Αλλά μπορείτε να το βρείτε για εκατό, ή, γενικά, για αυτό εάν το αφαιρέσετε από έναν παλιό υπολογιστή ή κάποια άλλη περιττή συσκευή.

Χρησιμοποιώντας ένα τέτοιο στοιχείο, μπορείτε να φτιάξετε τουλάχιστον δύο πολύ ενδιαφέρουσες και χρήσιμες συσκευές για το νοικοκυριό σας.

Πώς να φτιάξετε ένα ψυγείο με τα χέρια σας

Η παραγωγή φορητών ψυγείων, ιδίως για αυτοκίνητα, βασίζεται εξ ολοκλήρου στο φαινόμενο Peltier. Για να φτιάξετε μια τέτοια συσκευή στο σπίτι θα χρειαστείτε:

• Θερμοστοιχείο μάρκας TEC1-12706. Κοστίζει 200 ​​ρούβλια στο πλησιέστερο κατάστημα (εξειδικευμένο).
• Καλοριφέρ και ανεμιστήρας. Αφαιρούνται από έναν παλιό υπολογιστή που έχει εξυπηρετήσει το σκοπό του.
• Δοχείο. Οποιοδήποτε περιττό δοχείο από πλαστικό, μέταλλο ή ξύλο. Το εξωτερικό και το εσωτερικό ενός τέτοιου δοχείου καλύπτεται με πλάκες εξοικονόμησης θερμότητας από αφρό πολυστυρολίου ή διογκωμένη πολυστερίνη.

Η θερμοηλεκτρική μονάδα είναι ενσωματωμένη στο καπάκι του δοχείου. Σε αυτή την περίπτωση, η ροή του κρύου θα συμβεί από πάνω προς τα κάτω, γεγονός που θα οδηγήσει σε ομοιόμορφη ψύξη του δοχείου. Από το εσωτερικό του δοχείου, ένα ψυγείο στερεώνεται στο καπάκι του χρησιμοποιώντας θερμική πάστα και μπουλόνια στερέωσης.

Για να αυξήσετε την ισχύ μιας μελλοντικής συσκευής ψύξης, μπορείτε να αυξήσετε τον αριθμό των θερμοστοιχείων σε δύο ή τρία ή περισσότερα. Σε αυτή την περίπτωση, οι μονάδες είναι κολλημένες μεταξύ τους, παρατηρώντας την πολικότητα. Με άλλα λόγια, η θερμή πλευρά του υποκείμενου στοιχείου είναι σε επαφή με την ψυχρή πλευρά του υπερκείμενου στοιχείου.

Ένα άλλο ψυγείο είναι προσαρτημένο στο εξωτερικό του καπακιού μαζί με ένα ψυγείο υπολογιστή. Στο σημείο που τοποθετούνται τα καλοριφέρ πρέπει να υπάρχει καλή θερμομόνωση μεταξύ των ψυχρών - εσωτερικών και θερμών - εξωτερικών πλευρών. Είναι απαραίτητο να σφίξετε πολύ προσεκτικά τα επάνω και τα κάτω καλοριφέρ με μπουλόνια στερέωσης, έτσι ώστε οι κεραμικές πλάκες και τα θερμοστοιχεία που βρίσκονται μεταξύ τους να μην σπάσουν.

Η ηλεκτρική ενέργεια συνδέεται με τροφοδοτικό, το οποίο μπορεί να ληφθεί από έναν παλιό υπολογιστή.

Φορητή θερμοηλεκτρική γεννήτρια

Ένας τέτοιος μίνι σταθμός παραγωγής ενέργειας μπορεί να βοηθήσει πολύ έναν τουρίστα ή έναν κυνηγό όταν οι μπαταρίες όλων των ηλεκτρονικών συσκευών τελειώνουν στο δάσος. Σε αυτήν την περίπτωση, είναι πολύ ρομαντικό να πάρετε μερικά ξερά ροκανίδια και χωνάκια, να ανάψετε μια μικρή φωτιά και να τη χρησιμοποιήσετε για να φορτίσετε τις αποφορτισμένες μπαταρίες και ταυτόχρονα να μαγειρέψετε κάτι για φαγητό. Αυτό ακριβώς σας επιτρέπει να κάνετε μια φορητή θερμογεννήτρια που βασίζεται σε ένα θερμοστοιχείο.

Για να φτιάξετε αυτή τη θαυματουργή συσκευή, χρειάζεστε μια φορητή σόμπα κατασκήνωσης που να λειτουργεί με οποιοδήποτε τύπο καυσίμου. Σε ακραίες περιπτώσεις, ακόμη και ένα μικρό κερί ή ένα δισκίο ξηρού αλκοόλ θα κάνει.

Μια φωτιά ανάβει στη σόμπα και μια θερμοηλεκτρική μονάδα είναι προσαρτημένη σε αυτήν από έξω χρησιμοποιώντας θερμική πάστα. Συνδέεται μέσω καλωδίων σε μετατροπέα τάσης.

Η ποσότητα του ρεύματος που λαμβάνεται θα εξαρτάται άμεσα από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της ψυχρής και της θερμής πλευράς του θερμοστοιχείου. Για αποτελεσματική λειτουργία, απαιτείται διαφορά μεταξύ της ψυχρής και της θερμής επιφάνειας τουλάχιστον 100 μοιρών.

Σε αυτή την περίπτωση, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε ότι η μέγιστη θερμοκρασία περιορίζεται από τη θερμοκρασία τήξης της συγκόλλησης με την οποία κατασκευάζεται η ίδια η μονάδα. Επομένως, για τέτοιες συσκευές, χρησιμοποιούνται ειδικές θερμικές μονάδες, οι οποίες κατασκευάζονται με χρήση ειδικής πυρίμαχης συγκόλλησης. Σε συμβατικές μονάδες, η θερμοκρασία τήξης της συγκόλλησης είναι 150 μοίρες. Σε πυρίμαχες μονάδες, η συγκόλληση αρχίζει να λιώνει σε θερμοκρασία 300 βαθμών.

Αρχές 19ου αιώνα. Η Χρυσή Εποχή της Φυσικής και της Ηλεκτρολογίας. Το 1834, ο Γάλλος ωρολογοποιός και φυσιοδίφης Jean-Charles Peltier τοποθέτησε μια σταγόνα νερού ανάμεσα σε ηλεκτρόδια βισμούθιου και αντιμονίου και στη συνέχεια πέρασε ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του κυκλώματος. Προς έκπληξή του, είδε ότι η σταγόνα πάγωσε ξαφνικά.

Η θερμική επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος στους αγωγούς ήταν γνωστή, αλλά το αντίθετο αποτέλεσμα ήταν παρόμοιο με τη μαγεία. Μπορεί κανείς να καταλάβει τα συναισθήματα του Peltier: αυτό το φαινόμενο στη συμβολή δύο διαφορετικών τομέων της φυσικής - της θερμοδυναμικής και του ηλεκτρισμού - εξακολουθεί να προκαλεί μια αίσθηση θαύματος σήμερα.

Το πρόβλημα της ψύξης τότε δεν ήταν τόσο οξύ όσο είναι σήμερα. Ως εκ τούτου, το φαινόμενο Peltier μετατράπηκε σε σχεδόν δύο αιώνες αργότερα, όταν εμφανίστηκαν ηλεκτρονικές συσκευές, η λειτουργία των οποίων απαιτούσε μικροσκοπικά συστήματα ψύξης. Αξιοπρέπεια Στοιχεία ψύξης Peltierείναι μικρές διαστάσεις, απουσία κινούμενων μερών, δυνατότητα διαδοχικής σύνδεσης για λήψη μεγάλων διαφορών θερμοκρασίας.

Επιπλέον, το φαινόμενο Peltier είναι αναστρέψιμο: όταν αλλάζει η πολικότητα του ρεύματος μέσω της μονάδας, η ψύξη αντικαθίσταται από θέρμανση, έτσι ώστε να μπορούν εύκολα να εφαρμοστούν συστήματα για ακριβή διατήρηση της θερμοκρασίας - θερμοστάτες - σε αυτήν. Το μειονέκτημα των στοιχείων Peltier (μονάδες) είναι η χαμηλή τους απόδοση, η οποία απαιτεί την παροχή μεγάλων τιμών ρεύματος για να επιτευχθεί αισθητή διαφορά θερμοκρασίας. Είναι επίσης δύσκολο να αφαιρέσετε τη θερμότητα από την πλάκα απέναντι από το ψυχόμενο επίπεδο.

Πρώτα όμως πρώτα. Αρχικά, ας προσπαθήσουμε να εξετάσουμε τις φυσικές διεργασίες που είναι υπεύθυνες για το παρατηρούμενο φαινόμενο. Χωρίς να βυθιστούμε στην άβυσσο των μαθηματικών υπολογισμών, θα προσπαθήσουμε απλώς να κατανοήσουμε τη φύση αυτού του ενδιαφέροντος φυσικού φαινομένου.

Δεδομένου ότι μιλάμε για φαινόμενα θερμοκρασίας, οι φυσικοί, για τη διευκόλυνση της μαθηματικής περιγραφής, αντικαθιστούν τις δονήσεις του ατομικού πλέγματος ενός υλικού με ένα συγκεκριμένο αέριο που αποτελείται από σωματίδια - φωνόνια.

Η θερμοκρασία του αερίου φωνονίου εξαρτάται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και τις ιδιότητες του μετάλλου. Τότε οποιοδήποτε μέταλλο είναι ένα μείγμα αερίων ηλεκτρονίων και φωνονίων που βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία Όταν δύο διαφορετικά μέταλλα έρχονται σε επαφή απουσία εξωτερικού πεδίου, το «θερμότερο» αέριο ηλεκτρονίων διεισδύει στη ζώνη του «ψυχρότερου» δημιουργώντας. η γνωστή διαφορά δυναμικού επαφής.

Όταν εφαρμόζεται μια διαφορά δυναμικού στη μετάβαση, π.χ. Όταν το ρεύμα διέρχεται από τα όρια δύο μετάλλων, τα ηλεκτρόνια παίρνουν ενέργεια από τα φωνόνια του ενός μετάλλου και τη μεταφέρουν στο αέριο φωνονίων του άλλου. Όταν αλλάζει η πολικότητα, η μεταφορά ενέργειας, που σημαίνει θέρμανση και ψύξη, αλλάζει πρόσημο.

Στους ημιαγωγούς, τα ηλεκτρόνια και οι «οπές» είναι υπεύθυνα για τη μεταφορά ενέργειας, αλλά ο μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας και η εμφάνιση διαφοράς θερμοκρασίας παραμένει ο ίδιος. Η διαφορά θερμοκρασίας αυξάνεται μέχρι να εξαντληθούν τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Επικρατεί ισορροπία θερμοκρασίας. Αυτή είναι η σύγχρονη εικόνα της περιγραφής Φαινόμενο Peltier.

Από αυτό είναι σαφές ότι αποτελεσματικότητα του στοιχείου Peltierεξαρτάται από την επιλογή ενός ζεύγους υλικών, την τρέχουσα αντοχή και τον ρυθμό απομάκρυνσης θερμότητας από την καυτή ζώνη. Για σύγχρονα υλικά (συνήθως ημιαγωγούς), η απόδοση είναι 5-8%.

Και τώρα για την πρακτική εφαρμογή του φαινομένου Peltier.Για την αύξηση του, μεμονωμένα θερμοστοιχεία (ενώσεις δύο διαφορετικών υλικών) συναρμολογούνται σε ομάδες που αποτελούνται από δεκάδες και εκατοντάδες στοιχεία. Ο κύριος σκοπός τέτοιων μονάδων είναι η ψύξη μικρών αντικειμένων ή μικροκυκλωμάτων.

Θερμοηλεκτρική μονάδα ψύξης

Οι μονάδες εφέ Peltier χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές νυχτερινής όρασης με μια σειρά δεκτών υπέρυθρων. Τα τσιπ συσκευών με σύζευξη φόρτισης (CCD), τα οποία χρησιμοποιούνται επίσης στις ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές σήμερα, απαιτούν βαθιά ψύξη για την εγγραφή εικόνων στην υπέρυθρη περιοχή. Οι μονάδες Peltier ψύχουν ανιχνευτές υπερύθρων σε τηλεσκόπια, ενεργά στοιχεία λέιζερ για τη σταθεροποίηση της συχνότητας ακτινοβολίας και σε συστήματα χρόνου ακριβείας. Αλλά όλα αυτά είναι στρατιωτικές και ειδικές εφαρμογές.

Πρόσφατα, οι μονάδες Peltier βρήκαν εφαρμογή σε προϊόντα οικιακής χρήσης. Κυρίως στην τεχνολογία αυτοκινήτων: κλιματιστικά, φορητά ψυγεία, ψύκτες νερού.

Ένα παράδειγμα πρακτικής χρήσης του φαινομένου Peltier

Η πιο ενδιαφέρουσα και πολλά υποσχόμενη εφαρμογή των ενοτήτων είναι η τεχνολογία υπολογιστών. Οι μικροεπεξεργαστές υψηλής απόδοσης, οι επεξεργαστές και τα τσιπ καρτών βίντεο παράγουν μεγάλες ποσότητες θερμότητας. Για την ψύξη τους χρησιμοποιούνται ανεμιστήρες υψηλής ταχύτητας, οι οποίοι δημιουργούν σημαντικό ακουστικό θόρυβο. Η χρήση των μονάδων Peltier ως μέρος συνδυασμένων συστημάτων ψύξης εξαλείφει τον θόρυβο με σημαντική εξαγωγή θερμότητας.

Συμπαγές USB -ψυγείο που χρησιμοποιεί μονάδες Peltier

Και τέλος, μια λογική ερώτηση: οι μονάδες Peltier θα αντικαταστήσουν τα συνηθισμένα συστήματα ψύξης στα οικιακά ψυγεία συμπίεσης; Σήμερα αυτό είναι ασύμφορο από άποψη απόδοσης (χαμηλής απόδοσης) και τιμής. Το κόστος των ισχυρών μονάδων εξακολουθεί να είναι αρκετά υψηλό.

Όμως η τεχνολογία και η επιστήμη των υλικών δεν μένουν ακίνητες. Είναι αδύνατο να αποκλειστεί η πιθανότητα εμφάνισης νέων, φθηνότερων υλικών με υψηλότερη απόδοση και υψηλό συντελεστή Peltier. Ήδη σήμερα υπάρχουν αναφορές από ερευνητικά εργαστήρια για τις εκπληκτικές ιδιότητες των υλικών νανοάνθρακα που μπορούν να αλλάξουν ριζικά την κατάσταση με αποτελεσματικά συστήματα ψύξης.

Έχουν υπάρξει αναφορές για υψηλή θερμοηλεκτρική απόδοση κλασμάτων - στερεών διαλυμάτων παρόμοια στη δομή με τα ένυδρα. Όταν αυτά τα υλικά φύγουν από τα ερευνητικά εργαστήρια, εντελώς αθόρυβα ψυγεία με απεριόριστη διάρκεια ζωής θα αντικαταστήσουν τα συνηθισμένα οικιακά μας μοντέλα.

P.S.Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά θερμοηλεκτρική τεχνολογίαείναι ότι δεν μπορεί μόνο να χρησιμοποιήσει ηλεκτρική ενέργειανα αποκτήσουμε ζέστη και κρύο, αλλά και χάρη σε αυτό μπορούμε αλλά ξεκινήστε την αντίστροφη διαδικασία και, για παράδειγμα, λάβετε ηλεκτρική ενέργεια από τη θερμότητα.

Ένα παράδειγμα για το πώς μπορείτελάβετε ηλεκτρική ενέργεια από θερμότητα χρησιμοποιώντας μια θερμοηλεκτρική μονάδα () κοίτα αυτόβίντεο:

Τι πιστεύετε για αυτό; Ανυπομονώ για τα σχόλιά σας!

Αντρέι Πόβνι

Ένα στοιχείο Peltier είναι ένα θερμοστοιχείο, με άλλα λόγια, μια συσκευή που αλλάζει θερμοκρασία και λειτουργεί σύμφωνα με την αρχή Peltier με την ίδια ονομασία, δηλαδή δείχνει τη διαφορά θερμοκρασίας που προκύπτει από τη στιγμή που παρέχεται ηλεκτρική ενέργεια. Σε αγγλόφωνες πηγές εμφανίζεται ως θερμοηλεκτρικό ψυγείο. Το αντίθετο από αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο Seebeck.

Αρχή λειτουργίας της συσκευής

Το στοιχείο Peltier λειτουργεί λόγω της αλληλεπίδρασης ενός αγώγιμου υλικού με ένα άλλο, διαφορετικό σε ενεργειακό επίπεδο ηλεκτρονίων στην αγώγιμη περιοχή. Η διέλευση από ένα τέτοιο κανάλι επικοινωνίας δίνει στο ηλεκτρόνιο ένα μεγάλο απόθεμα ενέργειας, το οποίο στη συνέχεια του επιτρέπει να μετακινηθεί σε μια αγώγιμη περιοχή με υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Η απορρόφηση αυτής της ενέργειας οδηγεί σε μείωση της θερμοκρασίας στο σημείο που συνδέονται οι αγωγοί. Όταν συμβαίνει η αντίστροφη κίνηση του ρεύματος, η επαφή θερμαίνεται, η οποία εκφράζεται με τη μορφή ενός τυπικού θερμικού φαινομένου.

Με την προϋπόθεση ότι μια ψύκτρα είναι συνδεδεμένη στη μία πλευρά, κατά τη λειτουργία του συστήματος ψυγείου η δεύτερη πλευρά παρέχει ισχυρή ψύξη (έως και δεκάδες βαθμούς κάτω από το επίπεδο θερμοκρασίας περιβάλλοντος). Υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ του μεγέθους του ρεύματος και του βαθμού ψύξης. Κατά την αλλαγή της πολικότητας, αλλάζουν και οι θέσεις των πλευρών θέρμανσης και ψύξης.

Όταν ένα στοιχείο Peltier αλληλεπιδρά με μέρη κατασκευασμένα από μέταλλο, το αποτέλεσμα που παρέχει μειώνεται πολλές φορές και η αντίθεση θερμοκρασίας γίνεται λιγότερο αισθητή υπό την επίδραση διαφόρων φαινομένων που σχετίζονται με τη θερμική αγωγιμότητα του κυκλώματος. Για το λόγο αυτό, η πρακτική εφαρμογή περιλαμβάνει τη χρήση δύο ημιαγωγών ταυτόχρονα.

Τα θερμοστοιχεία μπορούν να συνδυαστούν σε οποιαδήποτε ποσότητα εντός εκατό, γεγονός που καθιστά δυνατή τη δημιουργία ενός στοιχείου Peltier οποιασδήποτε ικανότητας ψύξης.

Θερμοηλεκτρική μονάδα

Το φαινόμενο Peltier μπορεί να παρατηρηθεί ιδιαίτερα καθαρά όταν χρησιμοποιούνται p- και n- ημιαγωγοί. Σύμφωνα με την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος, όταν διέρχεται από συνδέσεις p-n, η ενέργεια απορροφάται ή απελευθερώνεται.

Αυτός είναι ο σχεδιασμός που χρησιμοποιείται στο TEM (θερμοηλεκτρική μονάδα). Ένα μεμονωμένο στοιχείο μιας θερμοηλεκτρικής μονάδας είναι μια μονάδα της οποίας ο σχεδιασμός είναι ένας συνδυασμός ενός p- και n-αγωγού. Εάν πολλά παρόμοια στοιχεία είναι συνδεδεμένα σε σειρά, θα συμβεί απορρόφηση θερμότητας στην επαφή n-p και απελευθέρωση θερμότητας στην επαφή p-n. Ως αποτέλεσμα, προκύπτει η κατάσταση που περιγράφηκε προηγουμένως με τη διαφορά θερμοκρασίας. Σύμφωνα με τη γενικά αποδεκτή αρχή, η καυτή πλευρά είναι αυτή στην οποία συνδέονται τα καλώδια και στο διάγραμμα βρίσκεται πάντα στο κάτω μέρος.

Εικ.1: Θερμοηλεκτρική μονάδα Peltier

Σε ένα TEM, τα θερμοστοιχεία στερεώνονται μεταξύ ενός ζεύγους πλακών από κεραμικά υλικά. Κάθε ένα από τα κλαδιά είναι συγκολλημένο σε χάλκινα αγώγιμα μαξιλάρια (διαύλους), τα οποία με τη σειρά τους συνδέονται με ένα θερμοαγώγιμο υλικό, για παράδειγμα, οξείδιο του αλουμινίου.

Το επίπεδο τάσης λειτουργίας της μονάδας πρέπει να προσδιορίζεται με βάση τον αριθμό των εξαρτημάτων. Η πιο κοινή επιλογή είναι αρθρωτά σχέδια 127 ζευγών με το υψηλότερο επίπεδο τάσης 16 Volt. Αλλά το 75% αυτής της αξίας είναι συνήθως αρκετό για να λειτουργήσουν. Επιπλέον, αυτός ο αριθμός είναι ο καταλληλότερος, καθώς πληροί τις απαιτήσεις για τις συνθήκες εργασίας και είναι αρκετά οικονομικός. Καθώς αυξάνεται η τάση, η ισχύς δύσκολα θα αυξηθεί, αλλά η κατανάλωση ενέργειας θα αυξηθεί σημαντικά.

Εφαρμογή στην πράξη

Σήμερα, η χρήση του στοιχείου Pelte είναι ιδιαίτερα σημαντική στους ακόλουθους τύπους συσκευών:

• Ψυγεία;
• Κλιματιστικά;
• Ψυγεία αυτοκινήτων;
• Ψύκτες νερού;
• Κάρτες βίντεο για προσωπικούς υπολογιστές.

Σε γενικές γραμμές, μπορούμε να πούμε ότι το στοιχείο Peltier έχει γίνει αναπόσπαστο μέρος μιας ποικιλίας συστημάτων ψύξης και κλιματισμού. Η χρήση αυτής της συσκευής είναι μια εξαιρετική προσέγγιση για την επίλυση του προβλήματος της υπερθέρμανσης του εξοπλισμού. Στις μέρες μας, το στοιχείο Peltier μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ψύξη ακουστικών και ηχητικών συστημάτων, αφού η λειτουργία του είναι εντελώς αθόρυβη και ιδανική για τέτοιους σκοπούς.

Υπάρχουν πολλές ιδιότητες του στοιχείου Peltier που έχουν μεγάλη ζήτηση:

• Παρέχουν αρκετά ισχυρή απαγωγή θερμότητας.
• Έχουν πολύ μέτρια μεγέθη, γεγονός που τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται σχεδόν σε οποιαδήποτε συσκευή.
• Ικανό να διατηρεί το ίδιο καθεστώς θερμοκρασίας για μεγάλο χρονικό διάστημα (χάρη στα καλοριφέρ).
• Είναι πολύ ανθεκτικά επειδή είναι κατασκευασμένα από μια σειρά από στερεά, μη κινητά εξαρτήματα.

Το απλούστερο εξάρτημα του στοιχείου μοιάζει με ένα ζεύγος χάλκινων αγωγών στους οποίους συνδέονται οι επαφές και τα καλώδια σύνδεσης, εξοπλισμένα με ένα μονωτικό στοιχείο (για την κατασκευή του χρησιμοποιείται ανοξείδωτος χάλυβας ή κεραμικά).

Πώς να φτιάξετε το δικό σας στοιχείο Peltier

Η απλότητα του σχεδιασμού αυτής της συσκευής σας ενθαρρύνει να την φτιάξετε μόνοι σας. Επιπλέον, το εύρος της πρακτικής εφαρμογής του είναι πρακτικά απεριόριστο: ψυγεία, κλιματιστικά και άλλος εξοπλισμός.

Θα πρέπει πρώτα να προετοιμάσετε μερικές μεταλλικές πλάκες και θα χρειαστείτε επίσης καλωδίωση με επαφές. Πρώτα απ 'όλα, εφοδιαστείτε με αγωγούς που θα εγκατασταθούν κοντά στη βάση της συσκευής. Οι αγωγοί PP είναι οι πλέον κατάλληλοι για αυτούς τους σκοπούς.

Στη συνέχεια, μην ξεχνάτε ότι πρέπει να εγκατασταθούν ημιαγωγοί στην έξοδο, οι οποίοι θα παρέχουν θερμότητα στην επάνω πλάκα. Για να εγκαταστήσετε το στοιχείο θα χρειαστείτε ένα συγκολλητικό σίδερο. Στο τελικό στάδιο θα χρειαστεί να συνδέσετε μερικά καλώδια. Το ένα βρίσκεται κοντά στη βάση και στερεώνεται με ασφάλεια δίπλα στον πιο εξωτερικό αγωγό. Είναι σημαντικό να μην υπάρχει επαφή με το πιάτο.

Το σημείο στερέωσης για τον δεύτερο αγωγό βρίσκεται κοντά στην κορυφή και ασφαλίζεται με τον ίδιο τρόπο - στον πιο εξωτερικό αγωγό.

Για να ελέγξετε τη λειτουργικότητα του στοιχείου, θα χρειαστεί να χρησιμοποιήσετε έναν ελεγκτή. Η συσκευή συνδέεται με τα καλώδια και μετράται η τάση. Η τυπική απόκλιση τάσης φτάνει περίπου τα 23 Volt.

Η ισχύς ενός στοιχείου Pelte εξαρτάται άμεσα από τις διαστάσεις του, αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη συναρμολόγηση ή την εγκατάσταση του. Η εγκατάσταση ενός ανεπαρκώς ισχυρού στοιχείου δεν θα αποτρέψει τη βλάβη του εξοπλισμού, αλλά μόνο θα την καθυστερήσει. Ταυτόχρονα, η υπερβολική ισχύς προκαλεί πτώση του επιπέδου θερμοκρασίας σε κρίσιμο επίπεδο, όταν η υγρασία στον αέρα μπορεί να αρχίσει να συμπυκνώνεται και να καθιζάνει στην επιφάνεια των συσκευών, κάτι που είναι ιδιαίτερα επικίνδυνο για τις ηλεκτρονικές συσκευές.

Επιπλέον, η άλλη πλευρά της μονάδας παράγει πολύ μεγάλη θερμότητα, επομένως απαιτείται ένας ανεμιστήρας αρκετά υψηλής ισχύος για να διασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία της.

Πώς να φτιάξετε μια γεννήτρια με βάση ένα στοιχείο Peltier;

Οι γεννήτριες που βασίζονται στο στοιχείο Peltier παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους ανθρώπους που, λόγω της αποκοπής τους από τον πολιτισμό για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, χρειάζονται μια απλή και προσιτή πηγή ενέργειας. Χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως σε περίπτωση κρίσιμης υπερθέρμανσης εξαρτημάτων προσωπικού υπολογιστή.

Εικ. 2: Γεννήτρια βασισμένη σε στοιχείο Peltier.

Τα στοιχεία Peltier έχουν μια αρκετά ενδιαφέρουσα αρχή λειτουργίας, αλλά επιπλέον έχουν ένα περίεργο χαρακτηριστικό: εάν εφαρμοστεί διαφορά θερμοκρασίας σε αυτά, παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Μία από τις επιλογές γεννήτριας που βασίζεται σε αυτήν τη συσκευή περιλαμβάνει τον ακόλουθο σχεδιασμό:

Ο ατμός κινείται μέσω δύο σωλήνων (ο ένας για την είσοδο και ο άλλος για την έξοδο), ο οποίος κατευθύνεται στην κοιλότητα του εναλλάκτη θερμότητας, κατασκευασμένη από μια πλάκα (υλικό: αλουμίνιο) πάχους 1 cm.

Κάθε οπή στον εναλλάκτη θερμότητας συνδέεται με ένα κανάλι. Οι διαστάσεις του εναλλάκτη θερμότητας διπλασιάζουν ακριβώς τις διαστάσεις των στοιχείων Peltier. Τα δύο στοιχεία στερεώνονται και στις δύο πλευρές του εναλλάκτη θερμότητας χρησιμοποιώντας τέσσερις βίδες (2 σε κάθε πλευρά). Ως αποτέλεσμα, χάρη στις οπές και τα κανάλια του εναλλάκτη θερμότητας, σχηματίζεται ένα πλήρες σύστημα τμημάτων επικοινωνίας από τα οποία διέρχεται ατμός. Προχωρώντας προς τα εμπρός, ο ατμός εισέρχεται στον θάλαμο μέσω ενός σωλήνα και εξέρχεται από έναν άλλο, προχωρώντας στον επόμενο θάλαμο. Η θερμότητα που μεταδίδεται από τον ατμό μεταφέρεται στα στοιχεία Peltier όταν ο ατμός βρίσκεται σε άμεση επαφή με την επιφάνειά τους, καθώς και με το υλικό του εναλλάκτη θερμότητας.

Για να πιέσετε τα στοιχεία στενά στο σώμα του εναλλάκτη θερμότητας, καθώς και για να οργανώσετε την αφαίρεση της θερμικής ενέργειας στην "κρύα" πλευρά, χρησιμοποιούνται πλάκες αλουμινίου πάχους 0,5 cm. Στο τελευταίο στάδιο, ολόκληρη η δομή σφραγίζεται με στεγανωτικά σιλικόνης.

Μετά από αυτό, ο ατμός απελευθερώνεται μέσω των σωλήνων και η δομή βυθίζεται σε κρύο νερό. Ολόκληρο το σύστημα αρχίζει να λειτουργεί. Θα δημιουργηθεί ηλεκτρικό ρεύμα μέχρι να μειωθεί στο ελάχιστο η διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας της «καυτής» και της «κρύας» πλευράς.

Υπάρχει επίσης μια πιο στοιχειώδης μέθοδος.

Το στοιχείο Peltier με καλώδια συνδεδεμένα στο καλώδιο τηλεφώνου φόρτισης στερεώνεται στο ψυγείο αλουμινίου (το οποίο θα έρθει σε επαφή με την «κρύα» πλευρά) χρησιμοποιώντας στεγανωτικό. Οποιοδήποτε ζεστό αντικείμενο, για παράδειγμα, μια κούπα ζεστό τσάι, τοποθετείται πάνω από τη συσκευή. Μετά από μερικά δευτερόλεπτα, το τηλέφωνο μπορεί να φορτιστεί. Η φόρτιση θα συνεχιστεί μέχρι να κρυώσει το τσάι.

Γράψτε σχόλια, προσθήκες στο άρθρο, ίσως έχασα κάτι. Ρίξτε μια ματιά, θα χαρώ αν βρείτε κάτι άλλο χρήσιμο στο δικό μου.

Θερμοηλεκτρικό ψυγείο Peltier.

Η αρχή της λειτουργίας δανείστηκε από το δίκτυο: Η λειτουργία των στοιχείων Peltier βασίζεται στην επαφή δύο αγώγιμων υλικών με διαφορετικά επίπεδα ενέργειας ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας. Όταν το ρεύμα ρέει μέσω της επαφής τέτοιων υλικών, το ηλεκτρόνιο πρέπει να αποκτήσει ενέργεια για να μετακινηθεί σε μια ζώνη υψηλότερης αγωγιμότητας ενέργειας ενός άλλου ημιαγωγού. Όταν αυτή η ενέργεια απορροφάται, το σημείο επαφής μεταξύ των ημιαγωγών ψύχεται. Όταν το ρεύμα ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση, το σημείο επαφής μεταξύ των ημιαγωγών θερμαίνεται, εκτός από το συνηθισμένο θερμικό αποτέλεσμα.

Όταν τα μέταλλα έρχονται σε επαφή, το φαινόμενο Peltier είναι τόσο μικρό που δεν γίνεται αντιληπτό στο φόντο των φαινομένων ωμικής θέρμανσης και θερμικής αγωγιμότητας. Επομένως, σε πρακτικές εφαρμογές, χρησιμοποιείται επαφή δύο ημιαγωγών.

Εμφάνιση στοιχείου Peltier. Όταν περνάει ρεύμα, η θερμότητα μεταφέρεται από τη μια πλευρά στην άλλη Ένα στοιχείο Peltier αποτελείται από ένα ή περισσότερα ζεύγη μικρών παραλληλεπίπεδων ημιαγωγών - ένα n-type και ένα p-type σε ένα ζεύγος (συνήθως τελλουρίδιο βισμούθιου, Bi2Te3 και γερμανίδιο πυριτίου. ), τα οποία συνδέονται σε ζευγάρια χρησιμοποιώντας μεταλλικούς βραχυκυκλωτήρες. Οι μεταλλικοί βραχυκυκλωτήρες χρησιμεύουν ταυτόχρονα ως θερμικές επαφές και μονώνονται με μια μη αγώγιμη μεμβράνη ή κεραμική πλάκα. Τα ζεύγη παραλληλεπίπεδων συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζεται μια σειριακή σύνδεση πολλών ζευγών ημιαγωγών με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας, έτσι ώστε στην κορυφή να υπάρχει μια ακολουθία συνδέσεων (n->p), και στο κάτω μέρος απέναντι ( p->n). Το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει διαδοχικά σε όλα τα παραλληλεπίπεδα. Ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος, οι επάνω επαφές ψύχονται και οι κάτω θερμαίνονται - ή το αντίστροφο. Έτσι, το ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέρει θερμότητα από τη μία πλευρά του στοιχείου Peltier στην αντίθετη και δημιουργεί μια διαφορά θερμοκρασίας.

Εάν ψύξετε τη θερμαντική πλευρά του στοιχείου Peltier, για παράδειγμα χρησιμοποιώντας ψυγείο και ανεμιστήρα, τότε η θερμοκρασία της ψυχρής πλευράς γίνεται ακόμη χαμηλότερη. Σε στοιχεία ενός σταδίου, ανάλογα με τον τύπο του στοιχείου και την τρέχουσα τιμή, η διαφορά θερμοκρασίας μπορεί να φτάσει περίπου τους 70 K/

Περιγραφή
Το στοιχείο Peltier είναι ένας θερμοηλεκτρικός μετατροπέας, ο οποίος, όταν εφαρμόζεται τάση, είναι ικανός να δημιουργεί διαφορά θερμοκρασίας στις πλάκες, δηλαδή να αντλεί θερμότητα ή κρύο. Το παρουσιαζόμενο στοιχείο Peltier χρησιμοποιείται για ψύξη πλακών υπολογιστών (υπόκειται σε αποτελεσματική αφαίρεση θερμότητας), για ψύξη ή θέρμανση νερού. Τα στοιχεία Peltier χρησιμοποιούνται επίσης σε φορητά ψυγεία και ψυγεία αυτοκινήτων.

Στοιχείο Peltier που λειτουργεί στα 12 Volt.

Για να ζεσταθεί, απλά πρέπει να αλλάξετε την πολικότητα.
Διαστάσεις πλάκας Peltier: 40 x 40 x 4 χιλιοστά.
Εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας: από -30 έως +70;..
Τάση λειτουργίας: 9-15 Volt.
Κατανάλωση ρεύματος: 0,5-6 A.
Μέγιστη κατανάλωση ισχύος: 60 W.
Ένα αστείο μικρό πράγμα, συνδέουμε 12v + - ψύχεται, αλλάζουμε την πολικότητα, ζεσταίνεται. Χρησιμοποιείται σε πολλά ψυγεία αυτοκινήτων, τουλάχιστον αυτό έχω εγώ. Μπορείτε να συνδέσετε ένα συμπαγές κύκλωμα στο ντουλαπάκι για να μην λιώσει η σοκολάτα το καλοκαίρι! Για να το χρησιμοποιήσετε και να το χρησιμοποιήσετε αποτελεσματικά, πρέπει να χρησιμοποιήσετε ένα ψυγείο ψύξης - ως δοκιμή χρησιμοποίησα ένα ψυγείο από έναν επεξεργαστή υπολογιστή, πιθανώς με ένα ψυγείο. Όσο καλύτερη είναι η ψύξη, τόσο ισχυρότερο και αποτελεσματικότερο είναι το φαινόμενο Peltier. Όταν συνδεόταν σε μπαταρία αυτοκινήτου 12v, η κατανάλωση ρεύματος ήταν 5 αμπέρ. Με μια λέξη, το στοιχείο είναι λαίμαργο. Επειδή δεν έχω συναρμολογήσει ακόμα ολόκληρο το κύκλωμα, αλλά έχω κάνει μόνο δοκιμαστικές δοκιμές, χωρίς μετρήσεις θερμοκρασίας με όργανα. Έτσι, στη λειτουργία ψύξης, εμφανίστηκε ελαφρύς παγετός μέσα σε 10 λεπτά. Στη λειτουργία θέρμανσης, το νερό στο μεταλλικό κύπελλο άρχισε να βράζει. Η απόδοση αυτού του ψυγείου είναι, φυσικά, χαμηλή, αλλά η τιμή της συσκευής και η ευκαιρία πειραματισμού κάνουν την αγορά δικαιολογημένη. Τα υπόλοιπα είναι στη φωτογραφία