Термоелектричний холодильник — прилад, що охолоджує, що працює на принципі поглинання тепла в контакті різнорідних матеріалів при проходженні через нього струму певного напрямку.
Термоелектричне охолодження – зниження (підвищення) температур в електричному ланцюзі на основі ефекту Пельтьє.
Переваги термоелектричних холодильників:
- простота конструкції;
- безшумність роботи;
- відсутність рухомих частин і деталей, що зношуються;
- відсутність холодоагентів;
- відстування речовин, що викликають корозію;
- практично необмежений термін служби;
- невисока вартість при масовому виробництві;
- екологічна безпека;
- висока економічність;
- невелика вага та габарити.
Недолік термоелектричних холодильників: необхідність безперервного електроживлення (відключення його призводить до швидкого підвищення температури в робочому обсязі).
При додатку постійної різниці потенціалів до ланцюга, що складається з двох провідників, що мають різну зонну структуру, у місцях контактів виділяється або поглинається (залежно від напрямку струму) деяка кількість тепла, як наслідок переходу носіїв заряду з одного провідника до іншого, при цьому вони втрачають частина енергії, долаючи енергетичний бар'єр (відбувається охолодження), або приносять із собою додаткову потенційну енергію (переходить у кінетичну), «скачуючись» з бар'єру (відбувається нагрівання).
Термоелектричне охолодження здійснюється із застосуванням напівпровідникових термоелементів. При безперервному розсіюванні тепла з гарячих спаїв термоелементів на холодних спаях буде стаціонарно підтримуватися знижена температура.
Зі збільшенням сили струму температура знижується до тих пір, поки не настає динамічна рівновага поглиненого тепла Пельтьє з потоком тепла, що надходить з гарячих спаїв внаслідок теплопровідності речовин і за рахунок частини тепла, що виділяється на холодному спаї.
Модуль Пельтьє для холодильника
контактуюча пара для досягнення найбільшого ефекту охолодження виготовляється з напівпровідників, що мають різні знаки коефіцієнтів термоедс і мають максимальну термоелектричну ефективність в робочому інтервалі температур.
Види та технічні характеристики термоелементів: Різновиди модулів Пельтьє
Напівпровідниковий термоелемент – пристрій, що безпосередньо перетворює теплову енергію в електричну або здійснює охолодження (нагрівання). У першому випадку різниця температур, що виникає на спаях гілок термоелемента при пропусканні через нього теплового потоку, викликає появу в ланцюгу термоедс, в результаті чого на зовнішньому навантаженні виділяється корисна електрична потужність. У другому випадку електрони і дірки, що рухаються у гілках термоелемента під дією постійної різниці потенціалів, переносять теплоту з одного спаю на інший, викликаючи, відповідно, охолодження одного і нагрівання іншого спаю.
Термоелементи для термоелектричних холодильників шляхом послідовного з'єднання об'єднуються в термобатарею у вигляді плоскої плити (при використанні напівпровідників у формі прямокутних паралелепіпедів) або циліндра (при застосуванні напівпровідникових шайб), при цьому гарячі та холодні спаї виявляються рознесеними в різні боки.
Радіаторами батареї, що забирають і віддають тепло, є пластини (мідні, алюмінієві), якими комутуються термоелементи.В інших випадках застосовуються спеціальні металеві радіатори, ізольовані від термобатареї (термоблоку) слюдяними пластинками, покритими сумішшю алюмінієвої пудри з силіконовим лаком.
Об'єкт, що підлягає охолодженню, іноді припаюється або приклеюється безпосередньо на холодний радіатор батареї.
В інших випадках для розміщення об'єкта виготовляється термоізольована камера у вигляді двох, вставлених один в одного, металевих кожухів (з міді, алюмінію), простір між якими заповнюється теплоізоляційним матеріалом (зазвичай пінопластом). Для відбору тепла робочого об'єму холодний радіатор з'єднується з внутрішнім кожухом.
Підвищення потужності термоелементів обмежене шкідливим впливом перехідних опорів, і навіть різким зростанням теплового напору з їхньої спаях. Тому важливе значення в проблемі використання термоелементів в холодильних установках мають питання розсіювання тепла, що виділяється ними.
Відведення відкачаного з об'єму і виділеного на батареї тепла від гарячих спаїв здійснюється шляхом природного теплообміну з повітрям (для підвищення ефективності радіатор виготовляють ребристим) або випаровуванням циркулюючої води.
У стаціонарних термоелектричних холодильниках перевага надається охолодженню проточною водою. Для відведення тепла може бути використана друга термоелектрична батарея (таким каскадуванням досягається глибше загальне термоелектричне охолодження).
Холодильні термоелементи (і термобатареї) можуть працювати або в режимі максимальної холодопродуктивності (основне завдання – охолодження, кількість електроенергії, що споживається, не відіграє ролі) або максимального холодильного коефіцієнта (тобто.найвигіднішого для даної різниці (температур співвідношення між холодопродуктивністю і споживаною електричною потужністю).
Потужність продуктивності (при заданій різниці температур) прямо пропорційна споживаної термоелементом або батареєю термоелементів електричної потужності.
Електричний комплект термоелектричної системи охолодження BH Peltier Semiconductor — BHCYD821D0809
Для живлення термоелектричних холодильників використовують сильноточні джерела невеликої постійної напруги. Змінюючи величину струму через термоелектричний холодильник, можна легко регулювати температуру на робочих спаях термобатареї. Зміною напрямку струму термобатарея перетворюється на нагрівач. Ці можливості дозволили створити напівпровідникові термостати.
Перші термоелектричні холодильники були розроблені у 1950-х роках XX століття. Вони були створені для використання в астрономії, ядерній фізиці, електроніці, вакуумній техніці, метрології, медицині та в багатьох інших галузях науки, техніки, сільського господарства та побуту.
Термоелектричні холодильники мають істотні переваги перед іншими методами охолодження. Охолодження кріостатними сумішами, обдуванням охолодженим повітрям, твердою вуглекислотою і т. п. технічно і експлуатаційно важко і незручно, охолодження водою не завжди достатньо, застосування рідкого азоту, дроселювання рідкої вуглекислоти ускладнюють контроль темп ератури і автоматизацію.
У науці та техніці, де часто необхідне охолодження малих обсягів (до кількох літрів), спосіб термоелектричного охолодження (нагрівання) у багатьох випадках виявляється єдино придатним.
Так, наприклад, для визначення типу провідності зразка напівпровідника за знаком коефіцієнта термоедс використовується термозонд, на вістрі якого через дві хвилини після включення струму (20 А, 1,4 Вт) встановлюється температура -17°С. А за допомогою термоелектричних мікротом досягається охолодження до -20 ° С, що дозволяє отримувати зрізи мозкової тканини товщиною 4 – 6 мікрон.
Використовуючи оборотність ефекту Пельтьє, здійснюють термостабілізацію (зміна полярності прикладеної напруги перетворює холодний спай на гарячий) при температурі, нижчій, ніж оточення.
Термоелектричний модуль для 40-літрового настільного холодильника LG Objet (розмір 55 x 55 x 4,5 мм). Режим охолодження без звичайного компресора та холодоагенту. Холодильник LG Objet може знизити температуру охолодження до 3°C, тоді як у традиційних невеликих холодильниках температура обмежена до 8°C. Температуру можна контролювати з точністю до градуса, що забезпечує кращу безпеку продуктів.
В останнє десятиліття стали дуже популярними різні переносні пристрої (автохолодильники, сумки-холодильники, термобокси), що працюють за допомогою термоелектричного охолодження. Для використання в автотранспорті та як різні переносні пристрої термоелектричні холодильники найбільш економічні, а іноді і незамінні.
У майбутньому такий спосіб охолодження широко використовуватиметься в системах кондиціювання повітря в приміщеннях, в потужних холодильних машинах, рефрежираторах і т.п.
Термоелектричний переносний холодильник MOBICOOL Q40 на 40 літрів. Він може бути підключений до електричної мережі, а також у гніздо прикурювача автомобіля.
На відміну від термоелектричного холодильника, термоелектричний генератор — пристрій для безпосереднього (безмашинного) перетворення теплової енергії в електричну.
При проходженні теплового потоку через термоелемент на ньому виникає різниця температур, що веде до появи термоедс у гілках термогенератора, а при замиканні на зовнішнє навантаження – до виділення на ній корисної електричної потужності.
Джерелами тепла можуть бути спеціально спалюване паливо чи теплові відходи газів, використаних двигунах, теплове випромінювання реакторів, доменних печей, теплоцентралей та інших.
Детальніше про термогенератори та особливості їх використання дивіться тут:
Інформація, опублікована на даному веб-сайті, представлена виключно для ознайомлення, за застосування цієї інформації адміністрація сайту відповідальності не несе.
Термоелектричне охолодження використовує електричну енергію створення різниці температур між двома типами матеріалів. В основі термоелектричного охолодження лежить термоелектричний ефект. Він також використовується в термоелектричних нагрівачах та генераторах.
Термоелектричне охолодження (засноване на ефекті Пельтьє) в даний час є домінуючою технологією твердотільного охолодження, і може охолоджувати від кімнатної температури до приблизно 170 К (-103,1 °C). Такі системи охолодження використовуються в авіації, космічних дослідженнях та військових проектах, тобто скрізь, де важливими є висока ефективність, надійність та низькі вимоги до обслуговування.
Термоелектричний модуль, що охолоджує
Як працюють термоелектричні пристрої
Ефекти Зеєбека і Пельтьє є взаємними кореляціями між електрикою і теплом, що переносяться електронами в твердих тілах. Коли коефіцієнт Зеєбека та електропровідність великі у матеріалі, такий матеріал може перетворювати електричну енергію на тепло і навпаки. Це схематично показано нижче.
Стрижень з матеріалу, що під дією градієнта температури, створює на зразку термоелектричну напругу
де dT – різниця температур між краями зразка, а S – коефіцієнт Зеєбека.
Якщо напруга U є досить великою, стрижень працює як гальванічна батарея і виробляє електричну енергію при зовнішньому навантаженні, підключеному до стрижня.
У цій ситуації термоЕРС відповідає напрузі холостого ходу батареї, а опір стрижня відповідає внутрішньому опору батареї. Такий матеріал називається термоелектричним матеріалом, а пристрій, виготовлений із нього, називається термоелектричним пристроєм.
Коефіцієнт Зеєбека характеризує ефективність цих матеріалів як відношення електричного потенціалу до градієнта температури.
Насправді пристрій на малюнку є спрощеною картиною термоелектричного пристрою. Оскільки струмопідведення зазвичай є хорошим провідником тепла, тепло, прикладене до лівого краю, проходитиме через висновок і не створюватиме достатню різницю температур. Щоб уникнути цього, слід зробити пару стрижнів.
Така структура є нічим іншим, як термопару, і тепло, прикладене до з'єднання, тепер проходить через пару термоелектричних гілок. У цьому відношенні термоелектричний пристрій є термоелектричний перетворювач (термопару), здатну генерувати електричну енергію.
Два провідники, з'єднані металевою перемичкою, утворюють ніжки. термопари, яку можна використовувати для термоелектричних застосувань.
Очевидно, що пара повинна бути парою матеріалів n- та p-типу, щоб максимізувати термоелектричну напругу. Ще одна вимога полягає в тому, щоб теплопровідність була якомога нижчою, щоб максимізувати різницю температур.
Термопарні спаї відіграють корисну роль як контактних датчиків температури для обробки пластин, так і як еталонів температури для калібрування датчиків.
Термоелектричний прилад не тільки виробляє електроенергію з тепла, а й перетворює електроенергію на тепло за допомогою ефекту Пельтьє, тобто охолоджує спай зовнішнім струмом. Це явище відоме як термоелектричне охолодження або охолодження Пельтьє.
Коефіцієнт Пельтьє дорівнює коефіцієнту Зеєбека, помноженого на абсолютну температуру. Таким чином, матеріали з великим коефіцієнтом Зеєбека при температурі, близькій до кімнатної або нижче за кімнатну, можна використовувати для термоелектричного охолодження.
Термоелектричні твердотільні холодильники
Термоелектрика була відкрита Зеєбеком у дев'ятнадцятому столітті. Сучасні дослідження в галузі термоелектрики почалися в 1930-х роках А. Ф. Іоффе.
Він зауважив, що леговані напівпровідники є найкращими термоелектриками та запропонував використовувати термоелектрику для виготовлення твердотільних холодильників. Такі холодильники не мали б частин, що рухаються, і служили б нескінченно довго.
Пропозиція Іоффе викликала бурхливу діяльність у всьому світі. У період 1957-1965 років. були проведені вимірювання всіх відомих напівпровідників, напівметалів та багатьох сплавів.На той час були відкриті найкращі холодильні матеріали: телурид вісмуту, телурид свинцю та сплави вісмуту із сурмою.
У той же період було зроблено дуже хорошу теоретичну роботу та побудовано моделі, які дуже добре описували існуючі матеріали. Однак на практиці навіть із кращих термоелектричних матеріалів вироблялися холодильники з низькою ефективністю.
Виготовлення побутових холодильників із термоелектриків здавалося нездійсненною мрією. Один есе того часу вдало підсумував ці починання під заголовком «Термоелектрика: прорив, якого так і не сталося».
Розвиток технологій стимулював пошук найкращих матеріалів для термоелектричного охолодження та виробництва електроенергії і в наш час інтерес до термоелектриків зрадів. Інвестори знову готові підтримати цю галузь, щоб побачити, чи сучасна наука може про матеріали покращити результати 50-річної давності.
На даний момент стандарт ефективності систем охолодження – фреоновий компресор у кожному будинку і на виробництві. Термоелектричні твердотільні холодильники мають приблизно третину ефективності фреонової технології, тому такі холодильники є конкурентоспроможною технологією для більшості застосувань.
Основними перевагами охолоджувача Пельтьє порівняно із звичайним холодильником є відсутність у ньому рухомих частин або циркулюючої рідини, дуже довгий термін служби, невразливість до витоків, невеликі розміри та гнучка форма.
Термоелектричне охолодження – це суто електрофізичний процес, що не вимагає охолодного середовища. В результаті пристрій не потрібно встановлювати у певному положенні – він може працювати навіть у невагомому стані. Горизонтально, вертикально, під нахилом чи навіть нагору ногами.
Завдяки модульній конструкції блоків потужність охолодження можна масштабувати та збільшувати при необхідності. Тому якщо потужності охолодження в 100 Вт недостатньо, не потрібно відмовлятися від переваг термоелектричного охолодження.
Легко інтегруючи кілька окремих блоків поряд один з одним, можна легко підвищити ефективність охолодження. Єдиними рухомими частинами цих агрегатів є два вентилятори для внутрішньої та зовнішньої циркуляції повітря. Таким чином, експлуатація цих агрегатів, що не вимагає технічного обслуговування, є незаперечною перевагою.
Основними недоліками охолоджувача Пельтьє є високі витрати на задану холодопродуктивність та низьку енергоефективність.
Термоелектричні охолоджувальні пристрої займають нішу на ринку, де надійність важливіша за ефективність. Невеликі термоелектричні холодильники використовуються для охолодження комп'ютерних мікросхем та інфрачервоних детекторів. Чотирьохступінчастий термоелектричний пристрій може охолоджувати від кімнатної температури до 170 К.
Нині найбільший споживчий ринок посідає термоелектричні холодильники для пікніка: вони підключаються до прикурювача автомобіля.
Термоелектричні пристрої також можуть використовуватися для вироблення електроенергії. Якщо електричний струм йде в одному напрямку, термоелектричний матеріал поводиться як холодильник, а якщо в іншому напрямку, він діє як генератор енергії. Завдяки цій властивості холодильники для пікніка також можна використовувати для розігріву обіду.
Влаштування термоелектричного холодильника
На наступному фото показаний холодильник для автомобіля з кухлем на 250 мл усередині.З правого боку (на фото не видно) знаходиться перемикач, який змінює напрямок електричного струму на протилежний, завдяки чому пристрій може працювати як термоелектричний холодильник або термоелектричний обігрівач. Чотири гвинти у центрі внутрішньої стінки утримують модуль Пельтьє.
На наступному фото видно внутрішню частину з іншого боку, знявши задню кришку (НІКОЛИ не знімайте кришку холодильника, поки він підключений до електричної мережі!). З правого боку знаходиться алюмінієвий радіатор, а з лівого боку кришки – вентилятор, що сприяє передачі тепла за рахунок примусової конвекції між довкіллям і радіатором.
Влаштування термоелектричного охолоджувача
На малюнку показано традиційний термоелектричний охолоджувач. Контакти забезпечуються припаювання термоелектричних блоків до металевих міжз'єднань, зазвичай мідних контактних майданчиків, які безпосередньо з'єднані з керамічними пластинами.
Керамічні пластини забезпечують механічну структуру, низький термічний опір та плоску поверхню для сполучення з пластинами теплопередачі.
Найбільш поширеною керамікою є Al2O3, AlN та BeO.
Al2O3 є найменш дорогим вибором підкладки та має достатню теплопровідність для багатьох застосувань. BeO має найвищу теплопровідність цієї групи при ~ 220 Вт м -1 К -1 але менш популярний через вартість.
Маючи теплопровідність приблизно вдвічі менше, ніж у BeO, AlN є найпоширенішою керамікою для додатків із високим тепловим потоком.AlN також має низький коефіцієнт теплового розширення, що є перевагою, оскільки стиснення та розширення керамічних пластин під час термоциклування зрештою викликає розтріскування термоелектричного матеріалу або паяного з'єднання.
У промисловості термоелектричного охолодження застосовуються різні припої. Як правило, ці припої використовуються в інших електронних додатках і вибираються з таких причин, таким як простота виготовлення, міцність і пластичність при низьких температурах.
Єдиним винятком є група припоїв, що містять понад 90% вісмуту. Ці припої мають дуже хорошу стійкість до термоциклювання і можуть наноситися безпосередньо на термоелектричні матеріали з прийнятними результатами.
Щоб використовувати інші припої, як правило, необхідно захистити термоелектричні матеріали металевим шаром, зазвичай нікелем, для запобігання взаємодіям.
Як уже говорилося раніше, те саме термоелектричний пристрій може використовуватися як для охолодження, так і для вироблення електроенергії, і в обох випадках максимальну ефективність визначають тільки температура і якість матеріалу. Однак насправді охолодний пристрій підходить для генерації тільки в тому випадку, якщо різниця температур відносно мала, джерело тепла має помірну температуру.
Кулер для води з модулями Пельтьє
Сучасні матеріали для термоелектричних холодильників
Термоелектричні матеріали для твердотільних пристроїв без частин, що рухаються, завжди викликали великий технологічний інтерес.
Термоелектричні матеріали характеризуються ZT (термоелектричною ефективністю), тобто мають одночасно великий коефіцієнт Зеєбека, високу провідність та низьку теплопровідність.Такі вимоги важко задовольнити, тому що ці три параметри є функціями концентрації носіїв, які неможливо налаштувати незалежно.
Ранні термоелектричні дослідження зосереджувалися на напівпровідниках. Проте з'єднання рідкісноземельних елементів можуть стати новими термоелектричними матеріалами і в даний час вони активно досліджуються.
Традиційно термоелектричне охолодження у твердому тілі здійснюється пристроями на основі охолоджувачів Bi2Te3, які за кімнатної температури мають параметр ефективності, близький до одиниці. Однак конкурентоспроможні термоелектрики повинні мати значення ефективності значно вищі.
Bi2Te3 широко використовуються в мікроелектронних та оптоелектронних пристроях для охолодження та стабілізації температури. Полікристалічні сплави SiGe також використовуються як термоелектричні матеріали.
Протягом останніх 30 років після дуже активного періоду 1955–1965 рр. дослідження в галузі термоелектрики у світі були незначними. Основна діяльність полягала у створенні джерел енергії для космічних супутників та станцій.
В рамках цієї діяльності були розроблені нові термоелектричні матеріали для виробництва електроенергії. Ці матеріали добре працюють за високих температур: TAGS, сплави Si-Ge 18–28, 29–35 і LaCl3.
Нещодавні дослідження виявили ще один матеріал, що має хороші термоелектричні властивості при високих температурах: скуттерудити, які добре працюють при 700 K. CoAs3, виявлений у Скуттеруді, Норвегія, є прототипом для цього класу матеріалів.
Незважаючи на кубічну форму, кристалічна структура складна.На елементарну комірку припадає 16 або 32 атоми, залежно від того, як рахувати. У ґратах є порожні вузли, які можуть бути вставлені інші атоми.
Це призводить до спорідненого класу матеріалів, званих наповненими скуттерудитами, відкритим Джейчком та Брауном. Якщо атоми у вузлах клітини малі і можуть вібрувати, теплопровідність значно знижується.
Ці матеріали перебувають у стадії активного вивчення.
Нові високотемпературні термоелектричні матеріали добре працюють при високих температурах, що призвело до поступового прогресу технології виробництва електроенергії з використанням термогенераторів.
Ситуація зовсім інша для охолоджуючих матеріалів при температурі нижче за кімнатну. На даний момент відомі лише два гідні матеріали: телурид вісмуту-сурми та сплави вісмуту-сурми. Їх недостатньо, щоб побудувати всі холодильники та охолоджувальні пристрої, необхідні для техніки.
Сьогодні неможливо побудувати термоелектричний холодильник, що охолоджує від кімнатної температури до температури переходу надпровідника. Найбільша потреба – знайти нові термоелектричні матеріали, що працюють при температурах нижче 200 К.
Проте навіть при продемонстрованих робочих температурах та ефективності сучасне покоління матеріалів для термоелектричного охолодження має значний потенціал у низці важливих галузей науки та техніки.
Телеграм канал для тих, хто щодня хоче дізнаватися нове та цікаве: Школа для електрика