Эффект пельтье способ охлаждения: Термоэлектрический эффект и охлаждение, эффект пельтье

Содержание

Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье) - Справочник химика 21

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье при прохождении постоянного тока через два спая разных металлов (рис. 1У-48) или полупроводников, при противоположной последовательности металлов в спаях в одном из них происходит поглощение тепла Со, а в другом выделение Q. В зависимости от условий конвекции и теплопроводности в спаях возникают температуры [c.369]
    Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье) [c.18]

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье, сущность которого заключается в выделении или поглощении тепла на контакте двух различных проводников в зависимости от направления электрического тока. При этом роль рабочего тела выполняют электроны в батареях из термоэлементов, для которых применяют полупроводники из сплавов некоторых тяжелых металлов германия, теллура, селена и др.

[c.19]

    Холодильные установки могут работать на принципах испарения некоторых сжиженных газов (паровые) или расширения газов (газовые), эффекта Пельтье (термоэлектрическое охлаждение), эффекта Ранка (вихревое охлаждение). [c.140]

    Охлаждение получается в результате того или иного физического явления, сопровождаемого процессом отнятия, перехода тепла. Наиболее известными процессами этого рода будут явления изменения агрегатного состояния тела (таяние, сублимация, растворение и испарение), производство внешней работы за счет внутренней энергии расширяющегося тела (адиабатное и политропное расширение газа), процесс дросселирования (эффект Джоуля-Томсона), термоэлектрический процесс (эффект Пельтье), магнитные явления (адиабатное выключение магнитного поля изотермически намагниченного парамагнитного тела) и др. [c.5]

    Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье) (рис. 5.6) обусловлено поглощением теплоты на одном спае полупроводникового элемента и выделением его на другом при прохождении постоянного тока через элемент.

При поддержании температуры горячего спая на определенном уровне можно получить необходимую температуру холодного спая. Многокаскадная батарея (горячий спай одной батареи примыкает к холодному спаю другой и т. д.) позволяет значительно снизить температуру холодного спая каскада, непосредственно примыкающего к захолажи-ваемому прибору. [c.280]

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье при прохождении постоянного тока через два спая разных металлов (рис. 1У-48) или полупроводников, при противоположной последовательности металлов в спаях в одном из них происходит поглощение тепла Ро, а в другом выделение С. В зависимости от условий конвекции и теплопроводности в спаях возникают температуры Го и Г. Металлы, образующие систему, должны иметь разные потенциалы (отсюда и обозначения -1-, —). Соединяются эти металлы медными проводами, что облегчает соединение системы с камерой (охлаждения), а также получение и отдачу тепла (Ро и Р). Такая система удобна для охлаждения. Холодильный к. п. д. установки такого типа несколько ниже, чем компрессионных установок. 

[c.369]


    Рассмотрим кратко физическую картину нестационарного режима термоэлектрического охлаждения. Известно, что эффект Пельтье имеет место на контакте разнородных проводников тока, т. е. это эффект поверхности . Эффект Джоуля - это тепловой эффект в объеме проводника тока. Когда в тепловом балансе холодного спая термоэлемента мы записываем половину теплоты Джоуля, поступающей на спай, как отрицательный эффект мы имеем в виду достаточно длительное (в электронном масштабе) время, за которое порции джоуле-вой теплоты из центральных областей ветви термоэлемента достигнут холодного спая. В течение этого времени эффект Пельтье сохраняет свое холодное преимущество перед эффектом Джоуля. И если в. этот момент времени через ветви термоэлемента пропустить ток выше /щах (/опт), ТО можст возникнуть эффект кратковременного охлаждения до уровня температур ниже максимально достигаемых в режиме / их- Более того, в конце этого временного промежутка можно дать еще большее значение тока и получить (уже на совсем короткое время) еще один пик холода .
Схематически такой режим представлен на рис. 11. [c.36]

    Термоэлектрический эффект. При пропускании электрического тока по цепи, состоящей из двух разных проводников, спаянных друг с другом, один из спаев охлаждается, а другой нагревается (эф кт Пельтье). В случае применения вместо обычных металлов полупроводников термоэлектродвижущая сила которых во много раз превышает соответствующие значения для металлов, открывается перспектива использования термоэлектрического охлаждения для получения низких температур. Для этой цели должны быть созданы батареи эффективных термоэлементов, изготовленных из полупроводников. [c.654]

    Возможность получения холода путем непосредственной затраты электрической энергии была доказана еще в 1834 г, французским физиком Пельтье, который установил, что при прохождении тока в замкнутой цепи, спаянной из двух разных металлов (термопара), один спай нагревается, а другой охлаждается. Чтобы холодный спай постоянно имел низкую температуру и был источником охлаждения, теплый спай необходимо охлаждать, иначе теплота от него будет передаваться путем теплопроводности холодному спаю.

Более ста лет эффект Пельтье не находил практического применения. Только в 1949 г. благодаря работам советских ученых во главе с академиком А. Ф. Иоффе термоэлектрическое охлаждение стали применять в технике. [c.24]

    Термомеханический эффект в гелии II. Так называемый термомеханический эффект в гелии II заключается, как известно, в том, что при вытекании гелия из сосуда через тонкий капилляр в сосуде наблюдается охлаждение. Само по себе наличие термомеханического эффекта свойственно не одному только гелию аномальным у гелия II является только большая величина эффекта. Термомеханический эффект в обычных жидкостях представляет собой необратимое явление типа термоэлектрического эффекта Пельтье. [c.405]

    На современном уровне техники охлаждение какой-либо среды или тела может быть осуществлено на основе использования ряда принципов и явлений. Для получения охлаждающего действия используются фазовые превращения веществ (плавление, кипение, растворение солей), расширение газообразных веществ, дросселирование (эффект Джоуля-Томсона), вихревой эффект, термоэлектрический эффект (эффект Пельтье), размагничивание твердого тела и другие явления, 

[c. 9]

    Термоэлектрическое охлаждение [48, 222—224]. В основе метода лежит эффект Пельтье (открытый в 1834 г.), заключающийся в том, что при пропускании тока по цепи, состоящей из двух различных проводников, в точках контакта выделяется или поглощается (З2"  [c.70]

    Любой природный процесс, сопровождающийся поглощением тепла, может быть использован для охлаждения. Практически охлаждающий эффект получают с помощью применения следующих физических процессов рабочих тел фазовых превращений, сопровождающихся поглощением тепла (плавление, парообразование, растворение соли) десорбции газов, расширения сжатого газа (с получением внешней работы) дросселирования (эффект Джоуля-Томсона) вихревого эффекта-, размагничивания твердого тела (магнитно-калорический эффект) термоэлектрического эффекта (эффект Пельтье). [c.5]

    В течение последнего дес5ггилетия среднегодовой прирост мирового производства термоэлектрических охлаждающих модулей составляет 15-25 %.

Столь высокие и устойчивые темпы роста свойственны разве что таким высокотехнологичным продуктам, как компьютерная техника и программное обеспечение. Несмотря на то, что со времени открытия эффекта термоэлектрического охлаждения (эффекта Пельтье) прошло около 170 лет, его практическое использование стало возможным лишь в последние десятилетия. [c.117]


    В современных гигрометрах точки росы для охлаждения зеркальца црименяют термоэлектрический способ, основанный на эффекте Пельтье. В этом случае плавное охлаждение и подогрев зеркальца легко осуществляются посредством изменения силы и направления тока, проходящего через полупроводниковый элемент. Автоматические гигрометры, естественно, повышают точность результатов, заметно сокращают время анализа и расход газа нри низких содержаниях воды. Последнее связано с тем, что визуальный способ регистрации требует накопления значительного количества жидкости. Г.
чавное же достоинство автоматических гигрометров — это исключение утомительной процедуры наблюдения за состоянием поверхности зеркальца. [c.141]

Использование эффекта Пельтье - Справочник химика 21

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье при прохождении постоянного тока через два спая разных металлов (рис. 1У-48) или полупроводников, при противоположной последовательности металлов в спаях в одном из них происходит поглощение тепла Со, а в другом выделение Q. В зависимости от условий конвекции и теплопроводности в спаях возникают температуры [c.369]
    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье при прохождении постоянного тока через два спая разных металлов (рис. 1У-48) или полупроводников, при противоположной последовательности металлов в спаях в одном из них происходит поглощение тепла Ро, а в другом выделение С. В зависимости от условий конвекции и теплопроводности в спаях возникают температуры Го и Г. Металлы, образующие систему, должны иметь разные потенциалы (отсюда и обозначения -1-, —). Соединяются эти металлы медными проводами, что облегчает соединение системы с камерой (охлаждения), а также получение и отдачу тепла (Ро и Р). Такая система удобна для охлаждения. Холодильный к. п. д. установки такого типа несколько ниже, чем компрессионных установок. 
[c.369]

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье, сущность которого заключается в выделении или поглощении тепла на контакте двух различных проводников в зависимости от направления электрического тока. При этом роль рабочего тела выполняют электроны в батареях из термоэлементов, для которых применяют полупроводники из сплавов некоторых тяжелых металлов германия, теллура, селена и др. [c.19]

    Использование эффекта Пельтье [c.20]

    Работы акад. А. Ф. Иоффе и его сотрудников показали возможность использования эффекта Пельтье для получения низких температур с помощью полупроводниковых термоэлементов. Институтом полупроводников АН СССР и коллективом специалистов Ленинградского технологического института холодильной промышленности был изготовлен образец холодильного шкафа с полупроводниковыми термоэлементами. Дальнейшие работы показали перспективность этого способа охлаждения [19,20,21,22,23]. 

[c.20]

    Работы акад. Л. Ф. Иоффе и его сотрудников показали возможность использования эффекта Пельтье для получения низких температур с помощью полупроводниковых термоэлементов. На таких элементах можно достичь охлаждения до минус 60 — минус 80 °С. Метод требует дальнейшего совершенствования. [c.61]

    Охлаждение с помощью эффекта Пельтье. Работы акад. А. Ф Иоффе и его сотрудников показали возможность использования эффекта Пельтье для получения низких температур с помощью полупроводниковых термоэлементов. На таких элементах можно достичь охлаждения до —60 -н —80° С. Метод требует дальнейшего совершенствования. Подробнее см. [А-79, А-95, А-18, А-99, А-63, А-104, А-92 и А-78]. [c.61]

    Общим способом, который, кажется, оказался пригодным для большинства образцов, является сушка, начинающаяся при температуре 190 К и давлении 1—2 нПа с последующим постепенным увеличением температуры до температуры окружающей среды в течение 24—48-часового периода. Конденсатор поддерживается при температуре 77 К- Некоторые аппараты для лиофильной сушки основаны на использовании элемента Пельтье в качестве охлаждающего столика. В этом случае сушка начинается при температуре около 210 К и давлении 1 Па, и для маленьких образцов сушка заканчивается за 24 ч. В аппаратах для лиофильной сушки, работающих на эффекте Пельтье, в качестве наполнителя ловушки для сублимированной воды более удобно использовать фосфорный ангидрид. 

[c.300]


    Меньшую гласность получили попытки совершенствовать обычные способы преобразования энергии в целях повышения к. п. д., отказавшись от окольных путей. Прямое преобразование энергии не является принципиально новой идеей. Прямое превращение тепловой энергии в электрическую с использованием эффекта Зеебека и частично обратимые процессы охлаждения и нагревания, основанные на эффекте Пельтье, известны уже почти 150 лет. На техническую разработку различных способов прямого преобразования энергии в 1963 г. было выделено свыше 100 млн. долл., причем ведущее место среди этих методов занимает непосредственное преобразование химической энергии в электрическую с помощью топливных Элементов. [c.7]

    Существует ряд других перспективных, но еще недостаточно часто используемых способов 1) основанный на эффекте понижения температуры при взаимном растворении веществ (гелия-3 в сверхтекучем гелии-4) 2) основанный на эффекте Пельтье при пропускании электрического тока через спай соединенных попарно разных полупроводников (р- и п-типов), один из которых охлаждается, а другой нагревается 3) основанный на эффекте Ранка с помощью вихревой трубы, в которой идет расслоение на холодный и горячий потоки 4) с использованием магнитно-калорического эффекта для получения ультранизких температур (при воздействии сильного магнитного поля на парамагнитное вещество с последующим адиабатическим размагничиванием).[c.277]

    Если в процессе разложения вещества выделяется или поглощается большее количество тепла, производится частичная компенсация этой мощности в самом рабочем элементе с помощью эффекта Пельтье. Возможна, разумеется, и полная компенсация тепла, т. е. использование прибора по нулевому методу ( калориметр—интегратор ) без автоматики. [c.133]

    Термоэлектрический эффект. При пропускании электрического тока по цепи, состоящей из двух разных проводников, спаянных друг с другом, один из спаев охлаждается, а другой нагревается (эффект Пельтье). В случае применения вместо обычных металлов полупроводников термоэлектродвижущая сила которых во много раз превышает соответствующие значения для металлов, открывается перспектива использования термоэлектрического охлаждения для получения низких температур. Для этой цели должны быть созданы батареи эффективных термоэлементов, изготовленных, из полупроводников. [c.694]

    На современном уровне техники охлаждение какой-либо среды или тела может быть осуществлено на основе использования ряда принципов и явлений. Для получения охлаждающего действия используются фазовые превращения веществ (плавление, кипение, растворение солей), расширение газообразных веществ, дросселирование (эффект Джоуля-Томсона), вихревой эффект, термоэлектрический эффект (эффект Пельтье), размагничивание твердого тела и другие явления, [c.9]

    Если в цепи направление тока таково, что электроны, обладающие меньшей энергией, отобрав теплоту от окружающих атомов, переносят его в другую часть цепи, то будет происходить охлаждение одного спая и нагрев другого (эффект Пельтье). Таким образом, такая пара проводников может служить холодильным агрегатом, в котором роль рабочего тела выполняет электронный газ, переносящий энергию от холодного спая к горячему. Эффект при обычных термопарных проводниках невелик. Академик А. Ф. Иоффе с сотрудниками показали, что при использовании полупроводниковых охладителей можно получить в десятки раз более высокую эффективность охлаждения. [c.71]

    Любой природный процесс, сопровождающийся поглощением тепла, может быть использован для охлаждения. Практически охлаждающий эффект получают с помощью применения следующих физических процессов рабочих тел фазовых превращений, сопровождающихся поглощением тепла (плавление, парообразование, растворение соли) десорбции газов, расширения сжатого газа (с получением внешней работы) дросселирования (эффект Джоуля-Томсона) вихревого эффекта-, размагничивания твердого тела (магнитно-калорический эффект) термоэлектрического эффекта (эффект Пельтье). [c.5]

    В принципе такое устройство можно реализовать, если выставить открытый холодильник в открытое окно (эффект, правда, будет минимальный). Тепловые насосы вследствие их чрезвычайно большого к. п. д. представлянэт принципиальный интерес для целей отопления. Из уравнения (5.8) следует, что, например, при Ti = = 289° К и T a = 273° К 18-кратное количество потребляемой электрической энергии (в (Идеальном случае) переходит в теплоту. Реализация тепловых машин вследствие высокой себестоимости и эксплуатационных расходов до сих пор не осуществлена, однако применение маленьких агрегатов уже в настоящее время может оказаться экономически целесообразным . В связи с этим представляет особый интерес использование эффекта Пельтье в полупроводниках. [c.31]


    Для практического использования эффекта Пельтье необходимо создать термоэлектродвижущую силу Е > 200 У/град. Для среднего домашнего шкафа производительностью 50 ккал час потребуется, например, =480 Vlepad. Обычные металлы в этом случае мало пригодны. [c.9]

    Низкотемпературные установки подразделяются также по принципу действия (в зависимости от используемых методов получения низких температур). Среди этих Методов различают дросселиравание, расширение газа с отдачей работы, охлаждение вспомогательными хладагентами, абсорбционное охлаждение. Понижение температуры может быть достигнуто также путем вакуумирования ожиженного газа, адиабатного размагничивания, использования эффекта Пельтье. [c.6]

    В течение последнего дес5ггилетия среднегодовой прирост мирового производства термоэлектрических охлаждающих модулей составляет 15-25 %. Столь высокие и устойчивые темпы роста свойственны разве что таким высокотехнологичным продуктам, как компьютерная техника и программное обеспечение. Несмотря на то, что со времени открытия эффекта термоэлектрического охлаждения (эффекта Пельтье) прошло около 170 лет, его практическое использование стало возможным лишь в последние десятилетия. [c.117]

    ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ — металлоподобные и полупроводниковые материалы с оптимизированным комплексом электр. и тепловых свойств. Комплекс этих св-в обеспечивает высокую эффективность прямого преобразования тепловой энергии в электрическую при использовании явления Зеебека или значительный охлаждающий эффект при использовании явления Пельтье. Естественные и искусствеппые Т. м., входившие в т. п. термоэлектрический ряд Зеебека, были исследованы и использовались для первых опытов почти одновременно с открытием термоэлектрических эффектов в первой половине 19 в. Некоторые из них (висмут, константен, силав цинк — сурьма, сернистый свинец) применялись и в первых полупромышленных термоэлектрических агрегатах в 30— 40-х гг. 20 в. Новый этап развития термоэлектрической энергетики, на- чавшийся в конце 40-х гг., привел к созданию качественно новых искусственных Т. м. на оспове металдо-подобпых соединений и полупроводниковых материалов. Физ. основой создания нового класса Т. м. явилась идея о резком увеличении отношения подвижности носителей тока к теплопроводности кристаллической решетки при образовании систем и областей твердых растворов. Все Т. м. [c.553]

    Термоэлектрические тепловые насосы. Непосредственное использование электри-яеско1 1 энергии для переноса тепла с низкого уровня на более высокий возможно при помощи так называемого эффекта Пельтье [17]. [c.435]

    Единственным практическим применением термоэлектричества при низких температурах в настоящее время являются термопары для измерения низких температур. Существует мнение, что эффект Пельтье может быть использован и для получения холода, однако до настоящего времени еще не создана холодильная установка, работающая по этому принципу ). Приводимые нами данные относятся к некоторым металлам и сплавам, которые могут быть использованы для термопар при низких температурах. Термо-э.д.с. этих металлов и сплавов были подробно исследованы в интервале температур 4—300° К- Банч, Пауэлл и Корруччини [46] проделали измерение термо-э.д.с. 1) сплава золота с 2,11 ат.% Со 2) серебра с 0,37 ат.% Аи и 3) константановой проволоки для термопар. В этих измерениях, проделанных при 4— 300° К, в качестве второго элемента термопары была использована холоднотянутая проволока из электролитической меди. [c.388]


Термоэлектрическое охлаждение | Основы электроакустики

Термоэлектрический метод охлаждения позволяет осуществить понижение температуры в малом объёме при незначительных габаритах и массе всего устройства.

 

Этот метод применяется и для отвода тепла для полупроводниковых приборов.

 

Явление термоэлектрического охлаждения основывается на эффекте Пельтье (при протекании тока по замкнутой цепи через границу 2х металлов, на границе возникает разность температур). П – коэффициент Пельтье, I – протекающий ток, t – время. В зависимости от того, как приложено напряжение, можно получить либо холодные, либо горячие области.

 

Перепад температур может достигать до 45..50°С.

 

В качестве полупроводниковых термоэлементов применяют сплавы свинца и теллура, теллура и сурьмы, окислы металлов и чистые химические элементы, германий, кремний, селен и их соединения.

 

В настоящее время термоэлектрическое охлаждение применяется в бытовых холодильниках и автономных кондиционерах.

 

Недостатки: - дополнительное потребление электроэнергии для поддержания разности температур

В последние годы такие модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, стали активно использовать для охлаждения разнообразных электронных компонентов компьютеров. В частности, их стали применять для охлаждения высокопроизводительных процессоров с высоким уровнем теплообразования.

Благодаря своим тепловым и эксплуатационным свойствам устройства, созданные на основе термоэлектрических модулей (модулей Пельтье), позволяют достичь необходимого уровня охлаждения компьютерных элементов без особых технических трудностей и финансовых затрат. В качестве кулеров электронных компонентов такие средства чрезвычайно перспективны: они компактны, удобны, надежны и обладают очень высокой эффективностью.

Особенно большой интерес полупроводниковые кулеры представляют в качестве средств, обеспечивающих интенсивное охлаждение в компьютерных системах, элементы которых установлены и эксплуатируются в жестких форсированных режимах. Использование таких режимов разгона (overclocking) часто обеспечивает значительный прирост производительности электронных компонентов, а следовательно, и всей системы. Однако работа в подобных режимах сопровождается значительным тепловыделением и нередко находится на пределе возможностей компьютерных архитектур и микроэлектронных технологий.

Необходимо отметить, что высоким тепловыделением сопровождается работа не только процессоров, но и современных высокопроизводительных видеоадаптеров, а в некоторых случаях и модулей памяти. Эти мощные элементы требуют для корректной работы интенсивного охлаждения даже в штатных режимах и тем более в режимах разгона.

Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье существенно зависит от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице. Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов

Железо-константан Медь-никель Свинец-константан
T, К П, мВ T, К П, мВ T, К П, мВ
273 13,0 292 8,0 293 8,7
299 15,0 328 9,0 383 11,8
403 19,0 478 10,3 508 16,0
513 26,0 563 8,6 578 18,7
593 34,0 613 8,0 633 20,6
833 52,0 718 10,0 713 23,4

Особенности эксплуатации Полупроводниковые термоэлектрические модули Пельтье, применяемые в средствах охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью. В отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, они не имеют движущихся частей. Как отмечалось выше, для увеличения эффективности допускается каскадное включение модулей Пельтье, что позволяет довести температуру корпусов электронных элементов до отрицательных значений даже при значительной мощности рассеяния.

Однако, кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладают и рядом специфических свойств, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. Ниже мы рассмотрим важнейшие особенности эксплуатации этих модулей.

Тепловыделение  Термоэлектрические модули отличаются относительно низким холодильным коэффициентом и, выполняя функции теплового насоса, сами становятся мощными источниками тепла. Использование их в составе средств охлаждения вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, создавая трудности для работы не только защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и для остальных компонентов компьютера. Это означает, что требуются дополнительные средства для снижения температуры, в частности, радиаторы и вентиляторы в конструктиве корпуса, улучшающие теплообмен с окружающей средой. Наиболее подходящее решение из воздушных средств охлаждения - технология теплового выхлопа, например, конструкции типа OTES (Outside Thermal Exhaust System) от Abit. С другой стороны, в процессе работы кулеров Пельтье избыточной мощности устанавливаются низкие температуры, способствующие конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Чтобы избежать этого, нужно подбирать кулеры Пельтье оптимальной мощности. Произойдет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров, из которых наибольшее значение имеют температура окружающей среды (в данном случае воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше его влажность, тем вероятнее конденсация влаги. Модули Пельтье также создают сравнительно большую дополнительную нагрузку на блок питания компьютера - учитывая значения потребляемого ими тока, мощность блока питания должна быть не менее 300 Вт. В такой ситуации целесообразно выбирать системные платы и корпуса конструктива ATX, облегчающего организацию оптимальных теплового и электрического режимов, с блоками питания достаточной мощности.

В случае выхода из строя модуль Пельтье изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это очень быстро приводит к нарушению теплового режима защищаемого элемента и его перегреву. Поэтому целесообразно использовать качественные модули от известных производителей. Такие модули обладают высокой надежностью, ресурс их работы нередко превышает 1 млн ч.

Элементы Пельтье для охлаждения компьютера (часть 1, теория и замеры эффективности) - PC-01

Зачем нужны и чем отличаются от обычного охлаждения?

К практике предлагаю перейти чуть позже, так как надо вообще вначале определиться, что могут и что не могут элементы пельтье и зачем они нужны.

Допустим есть у вас некоторый процессор, вы в силу желаний улучшения производительности или спортивного интереса начинаете его разгонять и рано или поздно сталкиваетесь с вопросом перегрева процессора. Вы покупаете более производительный кулер, температуры немного снижаются. Вы ставите ещё более производительное охлаждение, температуры ещё чуть-чуть падают. Вы переходите на водяное охлаждение с большим радиатором и температуры падают ещё на пару градусов, потом вы заменяете большой радиатор на 4 радиатора от грузовиков, которые могут рассеять сотню киловатт тепла и получаете ещё выгоду в пол градуса и начинаете подозревать, что вы делаете что-то не так.

Условное изображение графика снижения температур от улучшения охлаждения

Всякие жидкие металлы скальпирования и прочие действия помогут сдвинуть все эти графики вниз на какое-то количество градусов, но суть — не изменится.

Условный график скорректированный для случая минимальных градиентов при передачи тепла от процессора

Проблема тут в том, что мы производим охлаждение относительно температуры воздуха. И не важно обдуваем мы радиатор установленный на процессоре или радиатор к которому подаётся тепло через жидкость. И чтобы мы не обдували воздухом комнатной температуры — рано или поздно мы придём к теоретически наименьшей температуре, которая нас может не устраивать. Конечно другой вопрос, что если процессор выделяет 50 ватт тепла то мы придём к этой температуре на маленьком радиаторе, а если 300 Ватт, то на большом, но суть в том, что предел есть и для процессоров он наступает очень быстро.

Выход из этой ситуации остаётся только один — в качестве среды использовать что-то, что холоднее комнатного воздуха, иначе никак.

И тут есть разные способы. Самый технологически простой — холодная проточная вода.

Есть ещё малозатратные способы — поместить компьютер в холодильник и на обычном кулере вы получите температуры ниже, чем на 4-х радиаторах охлаждения от грузовиков.

Компьютер в холодильнике

Логичным продолжением данной идея стало избавление от холодильника, а использование только самого принципа работы, а именно то, что можно взять некий газ с низкой температурой кипения и заставлять его вскипать там где нам нужно и вскипая он будет забирать тепло.

Проблем в данном решении несколько. Во первых — использование фреона, и опасности связанные с работой с ним, а так же тот факт что одна из частей контура с фреоном находится под высоким давлением. Вторая проблема — шум компрессора, который и обеспечивает нам то самое давление.

Ну и третья — технологически это сложная система состоящая из множества собранных друг с другом элементов. Но зато можно получить целый холодильник который работает не на большую камеру, а на кусок меди который прижат к крышке процессора и этот кусок меди может быть на градусов 60 холоднее окружающего воздуха, что существенно решает вопрос ограничения комнатными температурами, но одновременно с этим создаёт проблемы с конденсатом, так как в жилых помещениях в зависимости от влажности и температуры точка росы составляет от 5 до 20 градусов. Вдобавок данные системы практически неуправляемые, то есть работать в полсилы не могут и мощность отвода тепла закладывается при проектировании самой системы.

Ну и третий глобальный метод отводить тепло относительно более холодной среды — использование модулей Пельтье, о чём далее и будет идти речь.

Что из себя представляют модули Пельтье и как они работают?

Модули Пельтье являются сборками из множества пар полупроводниковых сборок в которых при протекании тока один из элементов каждый пары берет из окружающей среды энергию для перевода электронов в более возбуждённые состояния. То есть при подаче питания начинается охлаждение элемента.

Но не всё так радужно. Дело в том, что в силу своей конструкции и используемых материалов элементы Пельтье далеки от идеальных проводников тока, а значит греются просто от внутреннего сопротивления. И это крайне печально, потому что для энергии перехода электронов годиться и тепло от собственного нагрева. То есть если не отводить тепло от нагрева при протекании тока, то элемент Пельтье будет просто очень быстро разогреваться до тех пор пока не выйдет из строя. Поэтому пары полупроводников собирают в упорядоченном порядке, так чтобы «высасывание» тепла было с одной из сторон, ну а нагрев есть, к сожалению, во всём объёме. Таким образом мы получаем виртуально существенно более холодную среду, нежели комнатный воздух. Чем, естественно, можно воспользоваться для получения более низких температур процессора.

Недостатки элементов Пельтье

Во первых элементу Пельтье требуется не бесконечное количество тепла для работы. То есть если подать слишком большой тепловой поток, то элемент Пельтье просто начнёт греться и будет нагреваться до тех пор пока не выйдет из строя.

Вторая проблема — это закон сохранения энергии. И холод, как и тень от света — это не некая отрицательная энергия — а её отсутствие в том или ином месте или меньшее её количество в сравнении с окружающим пространством. То есть тепло процессора и холод элемента пельтье не аннигилируют друг с другом. Та энергия, что нужна была для перевода электронов тоже превращается потом в тепловую и её тоже надо отводить вместе с нагревом от электрического сопротивления.

Вкупе с самим нагревом от сопротивления выходит две вещи. Во первых элементы Петльте надо очень хорошо охлаждать, а иначе они перегреются и выйдут из строя, а во вторых у них крайне низкий КПД. Вернее КПД у них близок к 0. С точки зрения электричества — это нагреватель с интересными особенностями работы, но если считать за работу не сам перенос тепла, а количество переносимого тепла, то некое подобие КПД у этой вещи появляется.

Возвращаясь к элементам Пельте их можно купить и у нас, и вроде как они получше и число полупроводниковых блоков у них на одну и ту же площадь выше, но стоят они чуть ли не в десять раз дороже китайских. Китайские элементы Пельтье называются TEC1, далее указывается число пар полупроводников, для типоразмера 40 на 40 мм это 127 пар и далее указывается ток в Амперах. Чем выше ток — тем больше тепла элемент перетаскивает с одной стороны своего корпуса на другую. Я купил 15 Амперные модули.

Что касается 15 Амперного элемента, то свои 15 Ампер он потребляет на 15 Вольтах и обещается, что выводит он в идеальных условиях при этом около 130 Ватт тепла. В реальных условиях и на 12 Вольтах цифры ожидать стоит порядка 50-60 Ватт.

Как я выше уже писал — при перенасыщении теплом элемент Пельте уходит в разнос. И для мощного процессора одно элемента мало. Именно поэтому большинство экспериментов с элементами Пельтье которые вы можете найти в интернете сводятся к тому, что либо поставив этот элемент на «селрон» он хорошо охлаждается, либо при установки на i7/i9 или 9-тысячный FX всё это дело вообще не работает. Вернее становится всё ещё хуже чем было.

Ставить элементы пельтье «бутербродом» друг на друга когда и так они перегружены тоже не имеет никакого смысла. Если один элемент не может перевести 100 Ватт, то второй ещё сильнее не сможет перевести 250 Ватт уже от первого.

Трёхкаскадный модуль пельтье

Есть двухкаскадные (и даже трёхкаскадные) заводские сборки этих элементов, но они рассчитаны на то, что источник тепла очень слабый и обычно задача просто охладить что-то, допустим датчик какого-то чувствительного прибора.

Достоинства элементов Пельтье

Простота конструкции, отсутствие подвижных частей и специальных навыков при построении системы, низкая стоимость в сравнении с фреоном и при этом высокая разница температур сопоставимая с фрионными чиллерами.

Минусы фрионок тут тоже есть — а именно конденсат. Но вопрос с конденсатом частично решается тем, что Модули Пельтье поддаются управлению как по напряжению, так и по току. Но не так просто как хотелось бы. Питание должно быть без пульсаций, так как все переменные составляющие питания дают нагрев, но не дают перенос тепла, то есть и без того низкая эффективность ещё сильнее падает. То есть взять «ардуину», датчик температуры и контроллер каких-нибудь двигателей с ШИМ управлением и всё подключить — не получится. Вернее получится, но работать не будет.

Можно, конечно, питать используя силовые транзисторы в режиме управления, но при управлении всё равно сопротивление транзисторов далеко не бесконечное, так что потери эффективности и необходимость отвода от транзисторов тепла будет. Но в теории управлять этим можно динамически, так чтобы все компоненты были по температуре выше точки росы. Но две проблемы, а именно сложности управления и то, что одного элемента мало — дают и выходы из данной проблемы с управлением.

Во первых есть стандартное решение в вопросе нехватки производительности чего-то одного в «холодильных» или «нагревальных» делах. А решение это — объединение нескольких элементов чего-либо в один контур с общим теплонасителем. Мы не можем поставить модули Пельтье друг на друга, но это не значит, что мы не можем поставить их рядом друг с другом и прогонять через их холодные поверхности жидкость и чтобы они все вместе в сумме эту жидкость охлаждали. Так мы можем решить проблему ограниченности максимального переноса тепла одним элементом. В данном случае тут вопрос только в количестве этих элементов. Если есть желание и возможности можно и 100 элементов объединить в один контур.

И вопрос управления становится проще, так как не надо регулировать питание а можно просто подключать нужное количество элементов. Можно для снижения дискретности ещё поставить один более слабый элемент. Допустим если будет 10 мощных отводящих по 50 Ватт и один слабый на 25, то можно варьировать отбор тепла в пределах от ноля до 525 Ватт с шагом в 25 Ватт. А включать выключать элементы можно разрывая цепи питания, допустим электромеханическими реле, что шумно, либо твердотельными, что дорого для больших токов. Либо использовать транзисторы в ключевом режиме полностью их открывая, и автоматизировав всё это дело, измеряя температуру хладагента, влажность и температуру в помещении (для вычисления температуры точки росы), избавляясь от конденсата и лишней траты энергии в простое системы, то есть частично компенсировать имеющиеся недостатки, при этом в максимальной производительности давая виртуальную более холодную среду, чем окружающий воздух.

Практическая часть. Особенности конструкции.

Вообще конструкция этого всего довольно простая. Вам понадобится сделать два жидкостных контура охлаждения. Один низкотемпературный, второй — высокотемпературный.

Схема холодного и горячего контуров. (нажмите для увеличения)
Холодный контур

Низкотемпературный контур включает в себя исключительно водоблоки и помпу. Один водоблок на процессор и ещё число водоблоков равное числу элементов пельте. В принципе можно вместо процессорных или видеочиповых водоблоков найти какой-то один большой и налепить все элементы пельтье на него (но ничего подходящего с хотя бы каким-то оребрением я не нашёл). На стороне холодной части по идее очень важно чтобы водоблоки были хорошими, так как там происходит борьба за то кто будет отдавать тепло — жидкость в конутре или тепло будет браться из нагрева самого модуля. И надо чтобы бралось тепло из контура, и это увеличит эффективность сборки. Поэтому просто плоские железки омываемые как-то жидкостью скорее всего будут малоэффективны. Ну и в этом контуре должна быть ещё помпа. На этом всё. Далее вопрос уже температур. Если предполагается уход ниже ноля градусов, что возможно в простое системы, то вода для контура не подойдёт. У меня с тремя 15 Амерными модулями без тепловой нагрузки температура в контуре упала с примерно 26 до 5 градусов Цельсия за 15 минут, далее я эксперимент прервал во избежание закупорки контура льдом и разрыва контура давлением помпы.

5 градусов Цельсия

В качестве хладагента стоит использовать нетоксичные жидкости. На мой взгляд самый лучший вариант примерно 70% раствор этанола с водой. Или чистый 95-96 процентный этанол. Но купить его сейчас проблематично.

Как вариант можно использовать водку, но в простое температура может упасть ниже 20 градусов при которой уже могут появляться центры кристаллизации, жидкость начнёт становится вязкой, сопротивление контура начнёт расти и если у вас хорошая помпа, то она сможет выдавить уплотнения в стыковочных элементах и жидкость выльется в компьютер.

Второй вариант, который проще купить — это пропиленгликоль он же пищевая добавка Е1520.

Вещество нетоксичное, в том числе его пары или аэрозоли, но в редких случаях вызывает раздражение кожи и слизистых. Наименьшие температуры замерзания достигаются в примерно 60% растворах с водой.

Такая жижа замерзает при -70, а кристаллики начинают образовываться примерно при -50. Если вы не будете делать каскады из элементов Пельте, то при комнатной температуре вы не получите ничего холоднее -35 градусов. При комнатной температуре в 26 градусов элемент пельтье у меня смог выдать -30 градусов Цельсия, то есть это теоретический минимум.

Омываемый водой он уже будет теплее даже без тепловой нагрузки просто потому что сами трубки, вода в резервуаре и корпуса водоблоков тоже нагреваются от воздуха, так что разбавлять можно пропиленгликоль до 50/50, так он будет менее вязким и будет иметь лучшую теплопроводность, но начало образования кристаллов будет уже при -30 … -40 градусах. Из недостатков — пропеленгликоль чувствителен к ультрафиолету и со временем разлагается от солнечного света, так что заменять его надо будет не реже чем раз в год.

Я себе пропиленгликоль не купил ещё, просто слежу за температурами в контуре. Так что практическая сторона этой жидкости для меня пока под вопросом, но как антифриз в жидкостных контурах пропиленгликоль промышленно тоже используется.

Горячий контур

Горячий контур уже будет состоять не только из помпы и водоблоков, но и из радиаторов. Для 15 амперных элементов надо исходить из теплоотдачи 200 Ватт на элемент, но более точно требования мы в этой статье и рассмотрим.

При использовании одинаковых водоблоков элементы пельте просто зажимаются между двумя водоблоками, так что думать над монтажём этих элементов тоже не придётся, скорее всего комплектные винты от водоблоков подойдут.

Сборка пары водоблоков горячей и холодных частей одного модуля
Тестовая реализация

Я же пока решил сразу не собирать всю систему целиком, а для начала попробовать как это работает, так что полноценно эта схема ещё не собрана и вместо горячего контура у меня просто к каждому элементу пельтье подсоединён процессорный кулер.

Упрощённая схема без горячего контура

И задача сейчас стоит оценить элементы в работе, понять стоит оно вообще потраченных денег (и денег которые могут быть потрачены на полноценный вариант) или нет, оценить эффективность и т.д.

В кадре можно увидеть два блока питания. Один питает компьютер, второй систему охлаждения

Для подключения элементов Пельтье я использовал отдельный компьютерный блок питания, и на провода самих элементов просто распаял 8 pin коннекторы (правда затупил и купил по форме как процессорные 8pin, так что используются они как 6-pin). Элементов я купил только 3. Все три — это 15-ти амперные TEC1-12715 чего для экспериментов более чем достаточно, больше элементов было покупать незачем, так как свободных кулеров у меня только 3.

Кулеры с элментами пельте и водоблоками

На 12 Вольтах без подачи тепла на холодную сторону и хорошем охлаждении горячей все три потребляют около 12 Ампер, то есть потребляемая мощность у всех около 150 Ватт.

Единственное я бы всё таки советовал не питать их максимальными допустимыми 15 Вольтами, на которых они и будут по идее потреблять 15 Амер, то есть около 225 Ватт, потому что и на 150 провода уже тёплые (в длительной нагрузке градусов 40 набирают), в максимальных нагрузках эти провода уже не выдержат.

С креплениями для кулеров тут сложнее — пришлось чутка поколхозить, задачи сделать красиво не было. Была задача сделать быстро и так чтобы не сверлить и портить родные крепления кулеров, то есть чтобы потом можно было всё разобрать и пользоваться кулерами как и до доработки.

Ещё надо было куда-то поключить помпу и все вентеляторы. Разветвителя у меня не было и переходников на моликсы не хватило, так что я использовал плату от ардуиновского набора для управления подсветкой от Gelid.

GELID CODI6

Сама Arduino в этом всём никак не участвовала, просто нужна была разводка на плате отвечающая за разветвление питания на вентиляторы. Вообще обычные разветвители стоят копейки, в хороших компьютерных корпусах они есть как правило в наборе с самим корпусом.

Помпа, крепления и резервуар куплены на алиэкспрессе.

Водоблоков всего в системе 4. Три — самые дешёвые что я нашёл с хоть каким-то подобием микроканалов и фиттингами в комплекте.

Четвёртый, на процессор, по сути тоже-же самое только никилированный и с креплением, но без фитингов и чуть дороже (фиттинги купил тоже на али, кстати, попались неплохие). У трёх дешёвых крепление тоже было, но чисто номинальное, без бэксплейта, одни винты (и ставить на винты без бэкплейта крайне не рекомендую, на этот случай есть даже отдельная статья на сайте).

Везде я всё обмазал дешёвой термопастой с алиэкспресса.

Не лучшая паста, зато 30 грамм
Практические тесты, задачи и методика

Для начала меня интересует вопрос того, насколько сложно отвести 200 Ватт тепла от элемента Пельте. Они обладают большой площадью, так что по идее это не должно быть так сложно, как отвести 200 Ватт, например от процессора.

В моей сборке есть 3 кулера. Один — крупный, с мощным серверным вентилятором с оборотами около 5200 в минуту.

Gelid Siroco

Второй — тонкий, по площади примерно как одна тонкая секция СВО с вентилятором на 2000 оборотов.

Третий — по толщине примерно такой же, вентилятор такой же.

Но самое важное у этого кулера — не полное покрытие самого модуля Пельте, то есть подошва радиатора узкая и короткая.

Габариты модуля выходят за пределы подошвы кулера

Для замера эффективности охлаждения предлагаю взять практические результаты, а не температуры самих модулей, да и как измерить эти температуры когда модуль закрыт кулером — не ясно.

Я включал на компьютере постоянную нагрузку и изменял поврелимит процессора до тех пор пока установившаяся температура жидкости в контуре не станет равной комнатной (ограничение TDP и нагрузка задавались в Intel Extreme Tuning Utility).

(нажмите для увеличения)

То есть потери тепла в нагрев или охлаждение комнаты прекратятся, иными словами — то значение поверлимита которые будет выставлено для нагрузки и будет значением отводимой из контура тепловой мощности модулем Пельте. Наибольшую погрешность вносить будет только помпа водяного контура. Я замерил реальное потребление помпы и оно составило порядка 6,1 Ватта, я буду 6 ватт добавлять к TDP, но в реальность корпус помпы нагревался выше 30 градусов, то есть часть этих 6 Ватт отводятся воздухом помещения, сколько реально уходит в жидкость от помпы — неизвестно.

Температура помпы

В теории если окажется, что один элемент сможет с большим кулеров отвести намного больше тепла, чем средний кулер, то значит одной секции СВО на один 15 Амерный элемент мало. А если разница в поверлимитах будет маленькой, то значит и площади одной секции небольшой толщины радиатора будет достаточно на один модуль Пельте. Самый слабый кулер (с маленькой подошвой не покрывающей весь модуль) расскажет насколько критично внутренне распространение тепла в элементе и насколько высоки требования к качеству водоблоков горячего контура.

Замеры температуры воды производятся термодатчиком посаженным на термопасту на фитинг резервуара. Это место не охлаждается дополнительно через корпус водоблоков и более точно передаёт температуры жидкости. Данные с датчика я в режиме реального времени выводились на экран, чтобы точно отслеживать динамику процессов.

Полученные результаты покажут — реально ли собрать такую систему в обычном корпусе или нет. Если хватает одной секции малой толщины радиатора, то в корпусе где можно установить сверху 360 и с переди 240 или 280 радиатор можно будет использовать целых 5 модулей Пельте и сейчас мы узнаем и то сколько высасывает тепла каждый модуль, соответственно эту цифру можно в таком случае будет умножить на 5, по числу элементов — это и будет тот TDP процессора при котором хладогент будет комнатной температуры в длительных непрерывных тестах, ну и конечно холодный контур жидкости можно переохладить и в коротких тестах получать меньшие температуры или рассчитывать на больший временный предельный TDP за счёт того что контуры объёмные и вода будет прогреваться какое-то длительное время за которое тест закончится.

Практические тесты, результаты

И так, при жидкости в холодном контуре комнатной температуры модуль с самыми худшими условиями смог вывести 27 Ватт тепла от процессора и плюс ещё 6 Ватт помпы. Стоит отметить, что модуль потерблял не 12 с небольшим Ампер как без нагрузки, а только чуть больше 10 Ампер, об этом я ещё потом скажу.

Модуль со средними условиями смог вывести 32 Ватта тепла от процессора плюс 6 помпа, это больше, чем модуль который не помещался на основание кулера. Ток так же был около 10 Ампер.

Модуль с лучшими условиями, то есть на большой башне с минимальными оборотами вентилятора около 3 тыс. смог отвести уже целых 58 Ватт тепла от процессора плюс ещё 6 помпа. При этом модуль потреблял почти 12 Ампер. То есть практически столько же, сколько и при холостой работе, при которой все три модуля потребляли чуть больше 12 Ампер.

Этот же кулер с максимальными оборотами позволил элементу Пельтье отвести от процессора 63 Ватта тепла плюс 6 Ватт помпа. А Ток как раз достиг тех же чуть более 12 Ампер как и в холостой работе без нагревания холодной стороны.

Выводы

В общем — выводы не утешительные. По сути на каждый элемент Пельте надо либо по секции 60 мм СВО, либо по две секции тонких радиаторов на элемент. Я, честно, говоря, рассчитывал на чуть меньшие требования, и надеялся что секции 45 мм радиаторов на модуль будет достаточно, но судя по тестам — не достаточно.

Кроме того я замерил ток и напряжением для каждого модуля в нагрузке и зная их и зная тепловыделение процессора можно рассчитать условный КПД модулей. Условный, потому что я повторюсь с точки зрения электричества КПД у модулей 0.

КПД будет показывать отношение выведенной из контура тепловой энергии к затраченной электрической энергии модулем.

Энергоэффективность модулей Пельтье

Модуль Пельте у которого свисали края показал условные КПД примерно 27%.

Модуль примерно с таким же радиатором но более крупным основанием показал условное КПД около 31%.

На башне большей толщины эффективность вышла примерно 44%. И это, на самом деле, не очень плохая цифра, она хуже чем в дата центрах со специальными системами кондиционирования и отвода нагретого воздуха (по разным данным от 50% до 1 к 1), но в целом — уже не 27%. С максимальной скоростью вращения вентилятора эффективность ещё чуть выросла и достигла уже примерно 46,5%. Полагаю, если использовать хорошие водоблоки и хорошую термопасту, то реально получить 50% эффективности. То есть, на 100 Ватт тепла от процессора нужно будет 200 Ватт на питание элементов Пельте. В таком случае полуторакиловатного блока питания для элементов Пельтье может хватить на охлаждение 750 Ваттного процессора. Однако отмечу, что 50% я всё же не получил. С моей эффективностью если бы все элементы были в лучших полученных условиях мне бы полутора киловатного блока питания для элементов Пельтье хватило только на примерно 700 Ватт отведённого тепла (и то надо понимать, что мы получаем условные -40 градусов к температуре воздуха, так что стоит рассчитывать на то что разгон будет в тех пределах как буде-то мы могли бы на процессоре держать не до 100 градусов, а до 140, так что никакие 700 Ватт через процессор мы не получим).

Анализ масштабируемости

Далее встаёт вопрос масштабируемости. Будут ли два элемента работать в сумме так же эффективно как в сумме два по отдельности.

Включим два модуля из трёх и найдем для них то тепловыделение процессора при котором жидкость будет иметь устоявшуюся комнатную температуру. TDP на процессор выставлен был 62 Ватта. Теоретически должно было бы быть 27+32+6 Ватт то есть около 65 Ватт, а не 62+6=68. Но тут надо понимать, что условия были не идеальными, и в целом можно говорить, что эффективность элементов друг с другом складывается.

С тестами трёх уже сложнее — процессор с увеличением поверлимита упирается в ограничение частотной формулы турбобуста, тут ещё возможно накладывается то, что у меня i9 9900k стоит на материнской плате с чипсетом z170, то есть с биос и пин модом. В общем — стресс тест от интел, который очень чтёко держит TDP, даже с разблокированным разгоном через BIOS не захотел нагрузить процессор как следует.

Линпак тоже что-то не особо желал у меня нормально работать. Выдавал нагрузку очень неравномерно. Для трёх модулей я должен был получить около 134 Ватт, я подобрал частоту и напряжение при которых и выходили примерно 134 Ватта, но иногда линпак выдавал потребление около 200 Ватт, то есть среднее по времени потребление было выше, что сказалось и на температуре жидкости.

Перед тестом теплоноситель немного переморозился, потому что долго подбирал режимы и начал я тесты на воде примерно в 18 градусов, и через менее чем десять минут жидкость нагрелась уже до 30 градусов, то есть из-за того что среднее потребление было выше теоретически необходимого — и пошёл рост температур.

Касаемо цифр температур процессора тут в общем-то всё не очень показательно, потому что отпечаток термопасты от процессора на китайском водоблоке примерно такой:

Но для справки — у меня с заводской СВО процессор при потребление около 200 Ватт сразу уходил под 100 градусов, тут же такого не было, какая температура устоялась бы в этих условиях я не замерил.

Итоги

Во первых — это работает и на этом можно сделать экстремальное охлаждение и это не требует специальных знаний и навыков, как, например, самодельная фреонка.

Во вторых — на каждый модуль нужна секция толстой СВО для оптимальной работы 15 Амперных модулей.

В третьих — по потребляемому току можно понять насколько хорошо охлаждается элемент. То есть при недостаточном охлаждении они потребляли меньше тока (в моих условиях 10 Ампер вместо 12).

В четвёртых — в близких к идеальным условиях можно получить эффективность приближенную к 50%, то есть на один отводимый ватт тепла нужно подать на модули 2 Ватта питания.

В пятых — система линейно масштабируемая.

Дальше встаёт вопрос уже полномасштабной реализации.

И тут возникает два этапа которые скорее всего и разделятся на две статьи.

Первый — отработка системы управления автоматической регулировки включения модулей, то есть надо сделать так чтобы температура жидкости не уходила ниже точки росы чтобы на водоблоке процессора не было конденсата, и чтобы не требовалась термоизоляция трубок через которую были бы потери холода и чтобы модули не морозили жидкость в простое зря и не тратили лишнюю энергию.

И по итогу уже можно будет оценить насколько энергозатратна установка в повседневной жизни и уже попробовать разогнать что-нибудь в рамках этих трёх модулей и того железа, что у меня есть.

Ну и последняя третья часть — закупка всего необходимого для полноценной установки, скорее всего нужна будет материнская плата для которой существуют моноблочные водоблоки покрывающие VRM, так как разгон будет очень не слабый. Выбор и закупка корпуса, куда можно установить две помпы и кучу радиаторов и там уже устроим разгон на все деньги. И в итоге должен получится компьютер размером с обычный компьютер, и выглядящий как обычный компьютер, с шумностью обычного компьютера, но с существенно лучшим охлаждением. Как будет в реальности — в текущий момент не известно.

Видео на YouTube канале "Этот компьютер"

DLSS против FSR | Качество изображения | Производительность

Linux, Wundows, x86, ARM... Всё смешалось | InfoCAST #046

FSR vs DLSS | Как работает | Графику сравниваю не я, а - ВЫ!

Настройки ниже минимальных при помощи настройки драйверов. Проверяем эффективность.

Как изменились комплектующие за 10 лет?

Эволюция GTX *50* Ti серии | GTX 750 ti vs GTX 1050 ti vs GTX 1650 super | Есть ли прогресс?

InfoCAST #045 | Windows 11 | новые карты от Nvidia | AMD FidelityFX Super Resolution

Видеокарты подешевели? Причины, анализ динамики цен.

Windows 11 vs Windows 10 | Интерфейс | Системные требования | Производительность

4К₽ гейминг | nvidia GTX 750 ti - антикризисный вариант

Ручной разгон в прошлом. Новые версии буста ядер!

Как работают фреонки (кондиционеры)? Охлаждаем CPU кондиционером, часть 1.

ТЕРМОЭФФЕКТЫ И НОВЫЕ УСТРОЙСТВА ОХЛАЖДЕНИЯ В МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРИВОДНЫХ СИСТЕМАХ

ЛИТЕРАТУРА

1. Найгерт К.В., Редников С.Н. / Магнитореологический привод прямого

электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической

системы золотника // Патент РФ № 2634163, опубл. 24.10.2017 Бюл. № 30.

2. Найгерт К.В., Редников С.Н. / Магнитореологический привод прямого

электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической

системы с гидравлическим мостиком // Патент РФ № 2634166, опубл. 24.10.2017 Бюл. № 30.

3. Найгерт К.В., Редников С.Н. / Модульная система электромагнитной

транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами // Патент РФ № 2624082,

опубл. 30.06.2017 Бюл. № 19.

4. Такетоми С. Магнитные жидкости / C. Такетоми, С.Тикадзуми, пер. с японск. – М.:

Мир, 1993. – 272 с.

5. Шлиомис М. И. Магнитные жидкости // Успехи физ. наук, 1974. Т. 112. № 3. С. 427 –

459. 6. Бибик Е.Е. Реология дисперсных систем / Е.Е. Бибик. – Л.: Изд-во. Ленингр. ун-та,

1981. – 172 с.

7. Shliomis. M.I. Effective viscosity of magnetic suspensions // Sov. Phys., JETP 34, № 6,

1972. P. 1291–1294.

8. Диканский Ю.И. Экспериментальное исследование эффективных полей в магнитной

жидкости.// Магнитная гидродинамика. – 1982. – № 3. – С. 33–36.

9. Elmore W. C. Ferromagnetic colloid for studying magnetic structure // Phys. Rev. – 1938. –

Vol. 54. – № 4. – P. 309.

10. Elmore W. C. The magnetization of ferromagnetic colloid // Phys. Rev. – 1938. – Vol. 54.

– № 12. – P. 1092–1095.

11. Диканский Ю.И. К вопросу о магнитогранулометрии в магнитных жидкостях //

Магнитная гидродинамика.– 1984.– № 1.– С.123–126.

12. Shliomis M.I., Raikher Yu.L. Experimental investigations of magnetic fluids // IEEE

Transactions on Magnetic. – 1980. – Vol. MAG – 16. – № 2. – P. 237–250.

13. Марценюк М.А., Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. К кинетике намагничивания

суспензий однодоменных частиц // Труды Международной конференции по магнетизму МКМ-

73 – М.: Наука, 1974. – С.540–544.

14. Булат Л.П. Термоэлектрические охлаждающие устройства / Л.П. Булат, Е.В. Бузин –

СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. – 41 с.

15. Никитин С.А. Магнитные свойства редкоземельных металлов и их сплавов / С.А.

Никитин М.: МГУ, 1989. – 248 с.

16. Базаров И.П. Методологические проблемы статистической физики и термодинамики

/ И.П. Базаров – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. – 87 с.

17. Воронин Г.Ф. Основы термодинамики / Г.Ф. Воронин – М.: Изд-во Моск. ун-та,

1987. – 192 с.

18. Ма Ш. Современная теория критических явлений / Ш. Ма – М.: Мир, 1980. – 296 с.

19. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 3. Электричество / Д.В. Сивухин – М.:

Наука, 1977. – 688 с.

20. Никеров В.А. Физика: учебник и практикум для академического бакалавриата / В.А.

Никеров – Юрайт, 2015. – 415 с.

21. Цидильковский И.М. Термомагнитные явления в полупроводниках / И.М.

Цидильковский – М.: Физматгиз, 1960. – 396 с.

22. Житинская М.К., Немов С.А., Свечникова Т.Е. / Влияние неоднородностей

кристаллов Bi2Te3 на поперечный эффект Нернста – Эттингсгаузена // Физика и техника

полупроводников. – 1997. – Т. 31. – № 4. – С. 441–443.

23. Шлиомис М.И. / Магнитные жидкости. Успехи физических наук. // 1974. – Т. 112,

вып.3, С.427–458.

24. Шапошников И.Г., Шлиомис М.И. / Гидродинамика намагничивающихся сред.

Магнитная гидродинамика. // 1975. № 1, С.47–58.

Элемент Пельтье - Принцип работы, характеристики. Как сделать самостоятельно?

Краткая история открытия и обоснование физики работы

В основе работы элемента Пельтье находится физический принцип прохождения тока через две соприкасающиеся пластины, изготовленные из материалов с различными уровнями энергии тока прохождения, или другими словами — полупроводниками отличающихся типов. В месте их соединения будет наблюдаться нагрев при подаче тока в одну сторону, и понижение температуры при движении его в обратную.

Открыт эффект был еще в 18 веке Жан-Шарлем Пельтье, который получил его случайно, соединив контакты из висмута и сурьмы от источника тока. Капля воды, находящаяся в точке соприкосновения, превратилась в лед, что и вызвало интерес исследователя. Практическое применение открытие не получило по причине слабой распространенности электротехники в указанный период времени. Вспомнили о нем уже позднее, в век развития микроэлектроники, компонентам которой нужно было миниатюрное охлаждение, желательно без жидкостей и подвижных частей (насосов, вентиляторов и прочих).

Элемент Пельтье можно создать не только из полупроводников. Но, к сожалению, эффект от использования различных проводящих металлов будет ниже, и практически полностью потеряется за счёт нагревания их в месте соприкосновения и общей теплопроводности материала.

В общем виде конструкция выглядит как набор электродов кубической формы, изготовленных из полупроводников n- и p-типа. Каждый из них соединен с противоположными проводящими контактами, а все указанные пары соединены между собой последовательно. Причем расположение элементов выполняется так, чтобы связующие металлы между сборками полупроводников одного типа, соприкасались с первой стороной устройства в общем, а второго с противоположной. Сами p- и n- кубы зачастую изготавливаются из теллурида висмута и сплава кремния с германием. Соединительные контакты обычно из меди, алюминия или железа. Здесь главное требование — хорошая теплопроводность. Количество же пар в одной конструкции не ограничивается, и чем их больше, тем эффективнее работает элемент Пельтье. При подаче напряжения на сборку одна ее сторона нагревается, вторая охлаждается.

Принципиальная схема соединений в элементе Пельтье:

Годом нахождения обратного эффекта, выражающегося в выработке тока при охлаждении и нагреве соединенных проводников из разных металлов, принято считать 1821. Открытие было сделано Т. И. Зеебеком, который уже на следующий год опубликовал его в статье, предназначенной для Прусской академии наук, с названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».

Хотя согласно его работе, система генерации действует не только при использовании полупроводников, с ними ее КПД намного выше.

Элемент Пельтье, предназначенный целям генерации тока:

Устройство и принцип работы

Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.


Устройство модульного элемента Пельтье

Обозначения:

  • А – контакты для подключения к источнику питания;
  • B – горячая поверхность элемента;
  • С – холодная сторона;
  • D – медные проводники;
  • E – полупроводник на основе р-перехода;
  • F – полупроводник n-типа.

Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.


Рис. 3. А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная

Зачем нужны и чем отличаются от обычного охлаждения?

К практике предлагаю перейти чуть позже, так как надо вообще вначале определиться, что могут и что не могут элементы пельтье и зачем они нужны.

Допустим есть у вас некоторый процессор, вы в силу желаний улучшения производительности или спортивного интереса начинаете его разгонять и рано или поздно сталкиваетесь с вопросом перегрева процессора. Вы покупаете более производительный кулер, температуры немного снижаются. Вы ставите ещё более производительное охлаждение, температуры ещё чуть-чуть падают. Вы переходите на водяное охлаждение с большим радиатором и температуры падают ещё на пару градусов, потом вы заменяете большой радиатор на 4 радиатора от грузовиков, которые могут рассеять сотню киловатт тепла и получаете ещё выгоду в пол градуса и начинаете подозревать, что вы делаете что-то не так.


Условное изображение графика снижения температур от улучшения охлаждения

Всякие жидкие металлы скальпирования и прочие действия помогут сдвинуть все эти графики вниз на какое-то количество градусов, но суть — не изменится.


Условный график скорректированный для случая минимальных градиентов при передачи тепла от процессора

Проблема тут в том, что мы производим охлаждение относительно температуры воздуха. И не важно обдуваем мы радиатор установленный на процессоре или радиатор к которому подаётся тепло через жидкость. И чтобы мы не обдували воздухом комнатной температуры — рано или поздно мы придём к теоретически наименьшей температуре, которая нас может не устраивать. Конечно другой вопрос, что если процессор выделяет 50 ватт тепла то мы придём к этой температуре на маленьком радиаторе, а если 300 Ватт, то на большом, но суть в том, что предел есть и для процессоров он наступает очень быстро.

Выход из этой ситуации остаётся только один — в качестве среды использовать что-то, что холоднее комнатного воздуха, иначе никак.

И тут есть разные способы. Самый технологически простой — холодная проточная вода.

Есть ещё малозатратные способы — поместить компьютер в холодильник и на обычном кулере вы получите температуры ниже, чем на 4-х радиаторах охлаждения от грузовиков.


Компьютер в холодильнике

Логичным продолжением данной идея стало избавление от холодильника, а использование только самого принципа работы, а именно то, что можно взять некий газ с низкой температурой кипения и заставлять его вскипать там где нам нужно и вскипая он будет забирать тепло.

Проблем в данном решении несколько. Во первых — использование фреона, и опасности связанные с работой с ним, а так же тот факт что одна из частей контура с фреоном находится под высоким давлением. Вторая проблема — шум компрессора, который и обеспечивает нам то самое давление.

Ну и третья — технологически это сложная система состоящая из множества собранных друг с другом элементов. Но зато можно получить целый холодильник который работает не на большую камеру, а на кусок меди который прижат к крышке процессора и этот кусок меди может быть на градусов 60 холоднее окружающего воздуха, что существенно решает вопрос ограничения комнатными температурами, но одновременно с этим создаёт проблемы с конденсатом, так как в жилых помещениях в зависимости от влажности и температуры точка росы составляет от 5 до 20 градусов. Вдобавок данные системы практически неуправляемые, то есть работать в полсилы не могут и мощность отвода тепла закладывается при проектировании самой системы.

Ну и третий глобальный метод отводить тепло относительно более холодной среды — использование модулей Пельтье, о чём далее и будет идти речь.

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

  • холодопроизводительностью (Qmax), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
  • максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DTmax), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения — градусы;
  • допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – Imax;
  • максимальным напряжением Umax, необходимым для тока Imax, чтобы достигнуть пиковой разницы DTmax;
  • внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
  • коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского — coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.

Маркировка

Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.


Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706

Маркировка разбивается на три значащих группы:

  1. Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
  2. Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
  3. Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.

Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

Применение

Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:

  • мобильных холодильных установок;
  • небольших генераторов для выработки электричества;
  • систем охлаждения в персональных компьютерах;
  • кулеры для охлаждения и нагрева воды;
  • осушители воздуха и т.д.

Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.

Достоинства элементов Пельтье

Простота конструкции, отсутствие подвижных частей и специальных навыков при построении системы, низкая стоимость в сравнении с фреоном и при этом высокая разница температур сопоставимая с фрионными чиллерами.

Минусы фрионок тут тоже есть — а именно конденсат. Но вопрос с конденсатом частично решается тем, что Модули Пельтье поддаются управлению как по напряжению, так и по току. Но не так просто как хотелось бы. Питание должно быть без пульсаций, так как все переменные составляющие питания дают нагрев, но не дают перенос тепла, то есть и без того низкая эффективность ещё сильнее падает. То есть взять «ардуину», датчик температуры и контроллер каких-нибудь двигателей с ШИМ управлением и всё подключить — не получится. Вернее получится, но работать не будет.

Можно, конечно, питать используя силовые транзисторы в режиме управления, но при управлении всё равно сопротивление транзисторов далеко не бесконечное, так что потери эффективности и необходимость отвода от транзисторов тепла будет. Но в теории управлять этим можно динамически, так чтобы все компоненты были по температуре выше точки росы. Но две проблемы, а именно сложности управления и то, что одного элемента мало — дают и выходы из данной проблемы с управлением.

Во первых есть стандартное решение в вопросе нехватки производительности чего-то одного в «холодильных» или «нагревальных» делах. А решение это — объединение нескольких элементов чего-либо в один контур с общим теплонасителем. Мы не можем поставить модули Пельтье друг на друга, но это не значит, что мы не можем поставить их рядом друг с другом и прогонять через их холодные поверхности жидкость и чтобы они все вместе в сумме эту жидкость охлаждали. Так мы можем решить проблему ограниченности максимального переноса тепла одним элементом. В данном случае тут вопрос только в количестве этих элементов. Если есть желание и возможности можно и 100 элементов объединить в один контур.

И вопрос управления становится проще, так как не надо регулировать питание а можно просто подключать нужное количество элементов. Можно для снижения дискретности ещё поставить один более слабый элемент. Допустим если будет 10 мощных отводящих по 50 Ватт и один слабый на 25, то можно варьировать отбор тепла в пределах от ноля до 525 Ватт с шагом в 25 Ватт. А включать выключать элементы можно разрывая цепи питания, допустим электромеханическими реле, что шумно, либо твердотельными, что дорого для больших токов. Либо использовать транзисторы в ключевом режиме полностью их открывая, и автоматизировав всё это дело, измеряя температуру хладагента, влажность и температуру в помещении (для вычисления температуры точки росы), избавляясь от конденсата и лишней траты энергии в простое системы, то есть частично компенсировать имеющиеся недостатки, при этом в максимальной производительности давая виртуальную более холодную среду, чем окружающий воздух.

Недостатки элементов Пельтье

Во первых элементу Пельтье требуется не бесконечное количество тепла для работы. То есть если подать слишком большой тепловой поток, то элемент Пельтье просто начнёт греться и будет нагреваться до тех пор пока не выйдет из строя.

Вторая проблема — это закон сохранения энергии. И холод, как и тень от света — это не некая отрицательная энергия — а её отсутствие в том или ином месте или меньшее её количество в сравнении с окружающим пространством. То есть тепло процессора и холод элемента пельтье не аннигилируют друг с другом. Та энергия, что нужна была для перевода электронов тоже превращается потом в тепловую и её тоже надо отводить вместе с нагревом от электрического сопротивления.

Вкупе с самим нагревом от сопротивления выходит две вещи. Во первых элементы Петльте надо очень хорошо охлаждать, а иначе они перегреются и выйдут из строя, а во вторых у них крайне низкий КПД. Вернее КПД у них близок к 0. С точки зрения электричества — это нагреватель с интересными особенностями работы, но если считать за работу не сам перенос тепла, а количество переносимого тепла, то некое подобие КПД у этой вещи появляется.

Возвращаясь к элементам Пельте их можно купить и у нас, и вроде как они получше и число полупроводниковых блоков у них на одну и ту же площадь выше, но стоят они чуть ли не в десять раз дороже китайских. Китайские элементы Пельтье называются TEC1, далее указывается число пар полупроводников, для типоразмера 40 на 40 мм это 127 пар и далее указывается ток в Амперах. Чем выше ток — тем больше тепла элемент перетаскивает с одной стороны своего корпуса на другую. Я купил 15 Амперные модули.

Что касается 15 Амперного элемента, то свои 15 Ампер он потребляет на 15 Вольтах и обещается, что выводит он в идеальных условиях при этом около 130 Ватт тепла. В реальных условиях и на 12 Вольтах цифры ожидать стоит порядка 50-60 Ватт.

Как я выше уже писал — при перенасыщении теплом элемент Пельте уходит в разнос. И для мощного процессора одно элемента мало. Именно поэтому большинство экспериментов с элементами Пельтье которые вы можете найти в интернете сводятся к тому, что либо поставив этот элемент на «селрон» он хорошо охлаждается, либо при установки на i7/i9 или 9-тысячный FX всё это дело вообще не работает. Вернее становится всё ещё хуже чем было.

Ставить элементы пельтье «бутербродом» друг на друга когда и так они перегружены тоже не имеет никакого смысла. Если один элемент не может перевести 100 Ватт, то второй ещё сильнее не сможет перевести 250 Ватт уже от первого.


Трёхкаскадный модуль пельтье

Есть двухкаскадные (и даже трёхкаскадные) заводские сборки этих элементов, но они рассчитаны на то, что источник тепла очень слабый и обычно задача просто охладить что-то, допустим датчик какого-то чувствительного прибора.

Практический опыт с элементом Пельтье

Выглядеть он может по-разному, но основной его вид – это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами.  Сразу же отметил сторону “А” и сторону “Б” для дальнейших экспериментов

Почему я пометил стороны?

Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание “разности температур”? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.

Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать мультиметр, который шел в комплекте с термопарой

Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло ;-).

Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный – на минус и подаем чуток напряжения, вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона “А” охлаждается, а сторона “Б” греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность, ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье – это 12 Вольт. Так как  я подключил на красный  – плюс, а на черный – минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру.  Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:

77 градусов по Цельсию – это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.

[quads id=1]

Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор. Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который  дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:

7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.

Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример – это фонарик, работающий от тепла руки

Элемент пельтье своими руками

Изготовить устройство в домашних условиях практически невозможно, тем более это не имеет особого смысла, учитывая его невысокую рыночную стоимость.

Но большинство умельцев все же предпочитает мастерить элемент пельтье своими руками, ссылаясь на ряд его достоинств:

  1. Компактность, удобство установки на самодельное электронное плато.
  2. Отсутствие движущихся деталей, что увеличивает сроки его эксплуатации.
  3. Возможность соединения нескольких элементов в каскадной схеме для снижения очень больших температур.

Тем не менее, пельтье своими руками имеет определенные недостатки: низкий коэффициент полезного действия (КПД), необходимость подачи высокого тока для получения заметного перепада температуры, сложность отведения тепловой энергии от охлаждаемой поверхности.

Рассмотрим на примере схем, как сделать пельтье своими руками:

  • Задействовать его в качестве детали термоэлектрического генератора, согласно рисунку подключения.
  • Собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920 (рисунок 1).


Рисунок 1. Элемент пельтье своими руками: универсальная схема

Далее стоит следовать простой инструкции, как сделать пельтье своими руками:

  1. Подать на вход получившегося преобразователя напряжение диапазоном 0.8-5.5В, чтобы иметь на выходе стабильные 5В.
  2. При использовании устройства обычного типа — поставить лимит температуры нагреваемой стороны в 150 градусов.
  3. Для калибровки — в качестве источника тепла использовать емкость с кипящей водой, которая точно не нагреется свыше 100 градусов.

Из диодов и транзисторов

Фактически любой элемент Пельтье представляет собой гирлянду из последовательно соединенных диодов, работающих в режиме пробоя. В сущности, любой электронный компонент, пропускающий ток в одном направлении и препятствующий его прохождению в обратном, построен на принципах соединения полупроводников p-n типа. Что в свою очередь наводит на мысли о схожести системы на искомую конструкцию, аналогичную той, которую имеет модуль Пельтье. Если брать во внимание диоды с пластмассовой оболочкой (включая излучающие свет), мешает доступу к самим контактным пластинам из разных металлов только сам корпус устройства.

Вот они, две пластины полупроводника в прозрачном диоде:

Случай транзисторов аналогичен, конечно учитывая то, что в большинстве из них три контакта, два из полупроводника одного типа и один (меньший) другого. Хотя избавиться от корпуса, если он металлический, проще, что довольно распространено у элементов названого типа — достаточно срезать верхнюю крышку и получить доступ к открытым контактным пластинам.

Металлический транзистор со снятой крышкой:

Саму процедуру избавления от корпуса возложим на читателей, с рекомендацией попробовать нагрев, кислоту или механическое снятие преграды. Что касается соединения контактных площадок, здесь некоторые фанаты, судя по имеющейся информации, использовали меднение их верхушек электрическим методом. Впоследствии к подготовленным участкам осуществлялась пайка проводящих контактов.

После получения требуемых металлов, главное, что нужно помнить при их подключении — направление прохождения тока и последовательное соединение, выглядящее, как p-n-p-n-p-n, учитывая тип полупроводников. Кроме того, чем больше будет использовано элементов в конструкции, вне зависимости от их размера, тем и выше КПД получившегося генератора или устройства создающего тепло вместе с холодом.

Как изготовить генератор на основе элемента Пельтье?

Генераторы на основе элемента Пельтье особенно интересуют людей, которые ввиду достаточно продолжительной отрезанности от цивилизации нуждаются в простом и доступном источнике энергии. Также они широко применяются при критическом перегреве деталей персонального компьютера.


Рис.2: Генератор на основе элемента Пельтье.

Элементы Пельтье имеют достаточно интересный принцип действия, но помимо этого обладают одной любопытной особенностью: если к ним прилагается разность температур, то они продуцируют электричество. Один из вариантов генератора на базе этого устройства предполагает следующую конструкцию:

По  двум трубкам (одна для входа, другая для выхода) движется пар, который направляется в полость теплообменника, сконструированный из пластины (материал: алюминий), имеющей толщину 1 см.

К каждому отверстию теплообменника подведено соединение с одним каналом. Габариты теплообменника точно дублируют габариты элементов Пельтье.  Два элемента фиксируются на двух сторонах теплообменника с помощью четырёх винтов (по 2 на каждую сторону). В результате, благодаря отверстиям и канальцам теплообменника формируется полноценная система сообщающихся отделов, через которые проходит пар. Двигаясь вперёд, пар входит в камеру по одной трубке и выходит через другую, двигаясь к следующей камере. Транслируемое паром тепло достаётся элементам Пельтье, когда пар непосредственно соприкасается с их поверхностью , а также с материалом теплообменника.

Чтобы вплотную прижать элементы к корпусу теплообменника , а также для организации отвода тепловой энергии на «холодную» сторону применяются пластины из алюминия на 0,5 см в толщину. На последнем этапе вся конструкция герметизируется силиконовыми  герметиками.

После этого через трубки пускают пар, а конструкция погружается в холодную воду. Вся система целиком начинает работать.  Электрический ток будет образовываться до тех пор, пока разница между температурой «горячей» и «холодной»  сторон не сократится до минимума.

Есть и более элементарный метод.

Элемент Пельтье выводами подсоединённый к зарядному телефонному кабелю закрепляется на алюминиевом радиаторе (который будет контактировать с «холодной» стороной) с помощь герметика. Сверху на устройство ставится любой горячий предмет, например, кружка с горячим чаем. Через пару секунд телефон можно ставить на зарядку. Зарядка будет продолжаться, пока чай не остынет.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Холодильник на элементах пельтье своими руками

Чтобы собрать холодильный агрегат вам понадобятся достаточное количество  электрических проводников и специальные инструменты (рисунок 3).

Холодильник на пельтье своими руками требует особого подхода к сборке и используемым материалам:

  1. Основой для платы должна служить прочная керамика;
  2. Для максимального температурного перепада надо подготовить не менее 20 связей;
  3. Правильные расчеты — залог увеличения коэффициента полезного действия на 70%;
  4. Наибольшую мощность используемому оборудованию даст фреон;
  5. Самодельный модуль устанавливается возле его испарителя, рядом с мотором;
  6. Монтаж производится стандартным набором инструментом с применением прокладок;
  7. Они необходимы для изолирования рабочей модели от пускового реле;
  8. Изоляция понадобится и для самой проводки, перед ее подключением к компрессору;
  9. Чтобы избежать короткого замыкания, сила предельного напряжения звонится тестером.


Рисунок 3. С помощью элемента пельтье можно легко собрать походный холодильник

Подобную схему можно применить для автомобильного охладителя. Автохолодильник пельтье своими руками собирается на керамической плате толщиной не менее, чем 1 миллиметр. В нем используются медные немодульные связи с пропускной способностью в 4А и применяются проводники с маркировкой «ПР20», подходящие для контактов разного типа. Для соединения устройства с конденсатором используют обычный паяльник.

Кондиционер пельтье своими руками

В данном случае, для изделия могут применяться только проводники типа «ПР12» (рисунок 4).

Кондиционер пельтье своими руками собирается только на них, так как они выдерживают аномальные температуры и выдают напряжение до 23В:

  1. Применяется в основном для охлаждения компьютерных видеокарт.
  2. Его сопротивление колеблется в пределах 3 Ом.
  3. Температурный перепад равен 10 градусам, а КПД — 65%.
  4. Для него требуется 14 медных проводничков.
  5. Для подключения задействуется немодульный переходник.
  6. Устройство монтируется рядом с встроенным кулером на видеокарте.
  7. Конструкция крепится металлическими уголками и обычными гайками.


Рисунок 4. Элемент используется и для создания портативных кондиционеров

Если во время работы кондиционера замечаются сильные посторонние шумы, другие нехарактерные звуки — он проверяется на работоспособность мультиметром.

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.

Как проверить на работоспособность

При покупке и использовании может возникнуть вопрос, как проверить элемент Пельтье на работоспособность. Самый простой способ проверки — подключить термоэлемент к источнику напряжения и проверить обе его стороны рукой. Одна сторона должна быть холодной, а вторая начать нагреваться.

Если нет возможности использовать источник тока, от которого можно было бы осуществить питание элемента, то придется пойти от обратного. Для этого нужно иметь под рукой мультиметр и источник огня (лучше всего зажигалку). Выводы мультиметра необходимо подключить к проводам от элемента. После этого по одной из сторон нужно провести зажигалкой.

Обратите внимание! Если пластина рабочая, то под действием огня она начнет вырабатывать некоторое количество электричества. Это можно будет увидеть по показаниям электроизмерительного прибора.

Элемент Пельтье может использоваться во многих сферах деятельности обычного человека. Сделать качественный и эффективный элемент самостоятельно в домашних условиях достаточно сложно. Проще купить готовый в магазине и уже из него сооружать множество полезных конструкций дома.

[spoiler title=”Источники”]

  • https://ProFazu.ru/elektrooborudovanie/samodelki-oborud/element-pelte-printsip-raboty.html
  • https://www.asutpp.ru/chto-takoe-element-pelte-i-ego-primenenie.html
  • https://pc-01.tech/peltie/
  • https://www.RusElectronic.com/element-peltje/
  • https://nowifi.ru/vyzhivanie-v-dikoy-prirode/105-element-pelte-svoimi-rukami.html
  • https://elektronchic.ru/avtomatika/element-pelte.html
  • https://FB.ru/article/192230/pelte-element-svoimi-rukami-kak-sdelat
  • https://rusenergetics.ru/oborudovanie/element-pelte

[/spoiler]

Предыдущая

ТеорияПостоянный ток - определение и параметры

Эффект Пельтье

Выполнил студент группы АТ-11

Мухарлямов Ильдар

Эффект Пельтье

Вход: электрический ток.

Выход: количество теплоты, температура.

Сущность

При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощаются или выделяются, в зависимости от направления тока, тепло. Тепло Пельтье, выделенное или поглощенное в слое, пропорционально полному заряду, прошедшему через спай, или произведению силы тока на время. Коэффициент Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температур.

Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (р или n) (см. рис.). Объяснение эффекта Пельтье заключается во взаимодействие электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале р-n перехода, с тепловым колебаниями атомов в массив полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и соответственно тока, происходит нагрев () или охлаждение с) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к спаю (р-n или n-p переходу).

Математическое описание

,

Где - тепло Пельтье, Дж

П – коэффициент Пельтье;

q – заряд, прошедший через контакт, Кл;

I - Ток в проводнике, А;

t – время, с.

Тепло Пельтье меняет знак при перемене направления тока. Пределы изменения параметров:

до 1 В – полупроводник;

I –до нескольких ампер;

Q – от 0 до 50 Дж (за 1 сек.)

Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томсона:

q T,

Где Томсона;

Т – коэффициент температуры, К.

Применение

Модуль Пельтье Примечателен тем, что при прохождении через него электрического тока представляет собой термонасос, т.е. перекачивает тепло с одной стороны на другую, благодаря чему активно используется в различных системах охлаждения, от холодильников для напитков, до систем охлаждения мощных полупроводниковых лазеров и различных чипов, особенно там, где нужно ускорить процесс забора тепла от нагревающегося элемента. Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.

Для увеличения отношения сигнал/ шум фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) предлагается способ охлаждения фотокатодов термоэлектрическими элементами, расположенными внутри вакуумной оболочки ФЭУ (Пат. 3757151 США).

Устройство для отбора газа, в котором отвод конденсата составляет одно целое с холодильником. На внутренней стороне полого конуса закреплены холодные спаи элементов Пельтье и от него ответвляется трубопровод для отбора измерительного газа. Холодильник отличается тем, что в качестве генератора тока, потребляемого элементами Пельтье, предусмотрена батарея термоэлементов, горячие спаи которых находятся в канале дымовых газов, а холодные спаи – во внешнем пространстве (Заявка 1297У02 ФРГ).

Изображение устройства

Плюсы и минусы применения ТЭМ

Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:

  • сравнительно небольшие габариты;

  • возможность работы и на охлаждение, и на нагревание системы;

  • отсутствие движущихся частей, механических составляющих, подверженных износу.

В то же время ТЭМ обладают рядом недостатков, существенно сдерживающих их повсеместное практическое применение. Среди них следующие:

  • низкий КПД модулей;

  • необходимость наличия источника тока для их работы;

  • большая потребляемая мощность для достижения заметной разности температур и, как следствие, существенное тепло-выделение;

  • ограниченные габариты

Контрольные вопросы:

  1. В чем сущность эффекта Пельтье?

(При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощаются или выделяются, в зависимости от направления тока, тепло.)

  1. От чего зависит коэффициент Пельтье?

(Коэффициент Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температур.)

  1. Какие проводники используется в эффекте Пельтье?

Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (р или n)

  1. Как связан коэффициент Пельтье, с коэффициентом Томсона?

q T,

Где Томсона;

Т – коэффициент температуры, К.

  1. Основные применение эффекта?

(Используется в различных системах охлаждения)

Задачи:

  1. Найти коэффициент Пельтье, зная что ток равный 10 А прошел за 3 секунды и выделил 50 Дж тепла.

  1. Чему будет равен коэффициент Томсона, если заряд равен 70 Кл, а абсолютная температура равна 300 К. Коэффициент Пельтье равен 1,7 В.

Решение:

  1. Найти заряд через коэффициент Томсона, если известна абсолютная температура равная 400 К, коэффициент Пельтье равное 4 Дж, где =const (коэффициент Томсона).

  1. Сколько выделится тепла в местах контакта разнородных проводников, если коэффициент Пельтье равен 73 мВ, а заряд прошедший через термомодуль равен 40 Кл.

Решение: Qп=П*q=2.92 (Дж).

  1. Найти время за которое пройдет ток в проводнике зная, что напряжение 120 В, сопротивление 10 Ом. При этом выделяется 1 Дж тепла, а коэффициент Пельтье равен 60 мВ.

Эффект Пельтье и термоэлектрическое охлаждение


Эффект Пельтье это явление, которое потенциально разница применяется через термопара вызывает температуру разница между стыками разных материалы в термопаре.

Этот эффект противоположен Эффект Зеебека (назван в честь ученого, открывшего его в 1821 году). В Эффект Зеебека заключается в том, что если разные металлы соединены в двух отдельные места, а перекрестки хранятся в разных температуры, то разность потенциалов между «спаями» ( перекрестки).

Позже, в 1834 году, Жан Пельтье обнаружил, что противоположность Зеебека эффект также верен: что разность потенциалов (и, следовательно, ток) может вызвать перепад температур, независимо от того, что окружает температура есть.

Так как горячий спай можно разместить вне утепленная область, а холодный спай может быть размещен внутри области, Пельтье эффект можно использовать для охлаждения области (или объекта).

Элементы Пельтье (термоэлектрические охладителей)

Метод термоэлектрического охлаждение (с использованием эффекта Пельтье) полезен, потому что он может охладить объект без каких-либо движущихся частей или другого сложного оборудования, которое изолирует прохладнее из окружающей среды.Устройства, которые построенные, чтобы воспользоваться этим явлением, известны как Пельтье. элементы, или термоэлектрические кулеры (ТИК). Основные идеи из простых Элементы Пельтье можно соединять последовательно, чтобы получить гораздо больше сложный Пельтье модули (также известные как практические ТИК), которые обладают большей охлаждающей способностью. Тем не менее величайший разница температур между радиатором и прохладной областью для Устройство Пельтье имеет температуру порядка 50 ° C.
Общие области применения элементов Пелье включают: охлаждение компонентов компьютера, особенно процессора.

Наиболее распространенное сочетание материалов в термопарах Элементами Пельтье (ТЕС) являются два полупроводника висмут и Теллурид. Как правило, TEC состоит из кубиков или гранул. сделали полупроводников, каждый из которых контактирует с радиаторами на горячей и холодной стороне элемента Пельтье. Эти кубики являются «легированный» - то есть добавляются дополнительные примеси, чтобы лишние или меньшее количество свободных электронов в каждом кубе. В полупроводник кубы с лишними свободными электронами (и поэтому несут в основном отрицательный заряд) известны как полупроводники N-типа, а те, у которых мало свободных электронов (и несут в основном положительный заряд) являются полупроводниками P-типа.В пары полупроводниковых кубов P и N устанавливаются и соединяются в массив так, чтобы пары имели последовательное электрическое соединение, но тепловое параллельное соединение. Когда ток подается на это система (TEC), как ток течет через полупроводники вызывает разность температур и приводит к тому, что сторона радиатора Элемент Пельтье для нагрева, а холодная сторона - для охлаждения (или охлаждения). все, что находится в тепловом контакте с этой стороной).



An вид изнутри ТЕС (элемент Пельтье).
p6.gif>


Элемент Пельтье, с керамические пластины для частичной изоляции
внутрь из внешней среды.

Сторона радиатора TEC становится очень горячо, поэтому необходимо иметь вентилятор и / или какой-то радиатор, чтобы рассеять это высокая температура.В противном случае весь ТЭО начнет нагреваться, и куски слились бы вместе.
«Нормальные» элементы Пельтье примерно несколько сантиметров толщиной и сторона в несколько миллиметров или сантиметров. Чтобы получить больше охлаждение способностей, отдельные элементы соединяются в стеки, или они могут быть подключенным в некоторой комбинации последовательного и параллельного электрического соединения.


Модуль Пельтье с вентилятор и радиатор
отводят тепло от радиатора.
p6.gif>



.
S H Цена 26 марта 2007 Веб-проект Physics 212

Эффект Пельтье - обзор

1.

Объясните возникновение эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона в неоднородных проводниках, используя инструменты феноменологической линейной термодинамики.Каков физический смысл параметров, определяющих величину этих эффектов?

2.

Объясните движение ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического потенциала, используя инструменты линейной термодинамики.

3.

Выведите уравнение для феноменологического описания активного транспорта вещества через мембрану (раздел 2.3.2) для случая сопряженного переноса вещества через мембрану и химических процессов, далеких от равновесия (т.е.э., у | A rij | > RT).

4.

Какие свойства присущи обратным коэффициентам Онзагера? Что можно сказать о значениях обратных коэффициентов Онзагера, учитывающих взаимосвязь диффузии и ступенчатых химических превращений?

5.

Что можно сказать о значениях обратных коэффициентов Онзагера, учитывающих взаимосвязь теплопроводности и ступенчатых химических превращений? В чем разница между коэффициентами «классического» и «модифицированного» коэффициентов Онзагера?

6.

Напишите феноменологические уравнения Хориути-Борескова-Онзагера для трех параллельных взаимодействующих ступенчатых реакций

A ⇄ B

A ⇄ C

A ⇄ D,

, которые протекают через мономолекулярные превращения . Объясните значение всех значений в выражении и запишите отношения между ними. Какими будут уравнения, если концентрация компонента D стационарна?
7.

Найдите коэффициенты взаимности Λ ij для случая стационарной скорости параллельных ступенчатых реакций, описываемых схемами:

Стационарное состояние устанавливается по отношению к промежуточным соединениям, обозначенным Y i .

Найдите выражение для уравнений Хориути-Борескова-Онзагера, описывающее взаимное влияние данных ступенчатых реакций в присутствии диффузии химических компонентов. Коэффициент диффузии одинаков для всех компонентов.

8.

Ступенчатая реакция R + A 1 ⇄ P 1 сопровождается параллельной ступенчатой ​​реакцией R + A 2 ⇄ P 2 . Найти коэффициенты взаимности Λ ij для случая взаимного влияния этих ступенчатых реакций, протекающих в стационарном режиме, по отношению к их промежуточным продуктам. Реакции следуют механизму

R ⇄ X,

A 1 + X ⇄ P 1 ,

R ⇄ Y 1 ⇄ Y 2 ⇄ Y 3 ⇄ Y 4 ⇄ Y 5 ,

Y 4 + A 2 ⇄ P 2 ,

где X и Y i - промежуточные.Каковы ожидаемые условия потребления побочного продукта P 2 вместо его образования?
9.

Найти коэффициенты Λ ij для стационарного режима прямоточных ступенчатых реакций, достигаемых механизмом с интермедиатами X i и Y j :

R 1 ⇄ X 1 ⇄ → X 2 ⇄ X 3 ⇄ → X 4 ,

X 2 + R 2 ⇄ Y 1 ⇄ Y 2 ⇄ Y 3 4 ⇄ Y ⇄ Y 5 ,

Y 2 ⇄ P 1 ,

Y 2 ⇄ P 2 .

10.

Биотехнологический синтез фермента AHD 80 осуществляется хорошо клонированным штаммом микроорганизмов в ходе процессов, сопряженных с реакцией ассимиляции глюкозы, химическое сродство реакции 42 кДж. / моль. Оцените требуемую скорость ассимиляции глюкозы в закрытом ферментере при 37 ° C, если скорость снижения энтропии из-за реакции синтеза фермента составляет 8 кДж / ч · К в ферментере.

11.

В гомогенной реакционной системе параллельные ступенчатые реакции

A 1 + A 2 ⇄ B 1

A 1 + A 2 ⇄ B 2

перейти в стационарный режим через механизм

A 1 ⇄ Y 1 ⇄ Y 2 ⇄ Y 3 ⇄ Y 4 ,

Y 3 + A 2 ⇄ Y 5 ⇄ B 1 ,

Y 4 + A 2 ⇄ B 2 ,

, где Y и - промежуточные звенья.

Найдите выражение для модифицированных уравнений Онзагера, описывающее взаимное влияние данных ступенчатых реакций при наличии диффузии химических компонентов, порождаемой неоднородностью системы. Коэффициент диффузии одинаков для всех компонентов.

12.

Почему теорема Пригожина о скорости производства энтропии важна для области химии и каковы условия ее применимости?

13.

Превращение исходных компонентов R i в продукт P следует по схеме

Выразите взаимосвязь между химическими потенциалами и концентрациями промежуточных продуктов реакции A i в стационарном режиме процесса. Напишите выражение для скорости производства энтропии. Сформулируйте теорему Пригожина о скорости производства энтропии в стационарном состоянии для данной системы. Насколько применима эта теорема для данной системы при температуре 1200 К, если сродство ступенчатой ​​реакции R 1 + R 2 ← P равно 2 кДж / моль? 50 кДж / моль?

14.

Превращение исходного компонента R в продукт P происходит по схеме R + A 1 ⇄ 2 A 1

Здесь A i являются промежуточными продуктами. Покажите взаимосвязь между химическими потенциалами и концентрациями промежуточных продуктов реакции в стационарном режиме процесса. Напишите выражение для скорости производства энтропии. Сформулируйте теорему Пригожина о скорости производства энтропии в стационарном состоянии для данной системы.Насколько эта теорема применима для данной системы при температуре 500 К, если сродство ступенчатой ​​реакции R → P равно 2 кДж / моль? 50 кДж / моль?

15.

Преобразование исходного компонента R в продукт P происходит по схеме

R ⇄ A 1 ⇄ A 2 ⇄ A 3 ⇄ P,

A 1 + 2 S ⇄ 2A 4 ⇄ A 2 + 2 S ⇄ A 5 .

Здесь A и - промежуточные соединения, а S - молекула растворителя.Покажите взаимосвязь между химическими потенциалами и концентрациями промежуточных продуктов реакции S и в стационарном режиме процесса. Напишите выражение для скорости производства энтропии. Сформулируйте теорему Пригожина о скорости производства энтропии в стационарном состоянии для данной системы. Насколько применима эта теорема для данной системы при температуре 300 К, если сродство ступенчатой ​​реакции R ← P равно 2 кДж / моль? 30 кДж / моль?

Как термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье

Термоэлектрическое охлаждение достигается за счет эффекта Пельтье.Эффект Пельтье относится к термоэлектрическому явлению передачи тепловой энергии, которое происходит между двумя материалами при прохождении электрического тока. Это явление приводит к добавлению или отведению тепла. Теплопередача является как пропорциональной току, так и обратимой. Явление было открыто в 1834 году Джоном Пельтье.

Эффект Пельтье используется в тепловых насосах, которые отводят тепло (хотя они также могут добавлять тепло) с помощью управляемого обратимого твердотельного устройства (что означает отсутствие механических частей).Твердотельные тепловые насосы, использующие эффект Пельтье, будут эффективно передавать тепло от одной стороны устройства к другой.

Другие общие названия для этих типов устройств включают устройство Пельтье, твердотельный холодильник, термоэлектрический охладитель (TEC) и тепловой насос Пельтье. Наиболее распространенное применение этих устройств - охлаждение с требованиями к отводу тепла от нескольких тысяч ватт до милливатт.

Эффект Пельтье и термоэлектрические охладители (ТЭО)

ТЕС

- это твердотельные устройства Пельтье, которые при подаче постоянного тока передают тепло от одной стороны к другой.Это означает, что одна сторона устройства будет производить холод, а другая - тепло. Сторона с подогревом часто прикрепляется к радиатору, чтобы устройство можно было использовать для охлаждения.

Области применения ТЭО в потребительских товарах варьируются от портативных охладителей до увлажнителей, охладителей напитков и холодильников. В научной сфере ТЕС используются в спутниках, космических аппаратах, компьютерных компонентах (например, охладителях ЦП), для охлаждения лазеров, используемых в оптоволоконных сетях связи, и т. Д.

Фононические ТЭЦ и Пельтье

Phononic проектирует и разрабатывает инновационные высокопроизводительные TEC для приложений связи и передачи данных. По сравнению с типовой производительностью, наши ТЕС обеспечивают до 60% более высокую плотность теплового насоса и 30% меньшее потребление энергии в очень тонком форм-факторе для поддержки сменных трансиверов. Настраиваемые решения TEC доступны для всех распространенных типов приемопередатчиков: TOSA, SFP, QSFP и OSFP.

Охлаждение на эффекте Пельтье


Термоэлектрические охладители воздух-воздух


Что такое эффект Пельтье и как он охлаждается?

Шарль Пельтье впервые обнаружил, что ток, протекающий между двумя переходами, сделанными из разных проводящих материалов, вызывает нагрев и охлаждение в 1834 году! Материалы, которые он тогда использовал, были висмут и медь.Температура повышалась в одном направлении и остывала в другом. Конечно, это явление называется эффектом Пельтье.

Появление полупроводников сделало возможным создание очень маленьких охладителей Пельтье. Использование полупроводников типа P и N в матрице между двумя листами теплопроводящих пластин создает тот же эффект, что и оригинальные эксперименты с медью и висмутом.

Традиционные охлаждающие устройства

«Кондиционеры, тепловые насосы, охладители для болот, градирни» - это термины, которые большинство из нас слышали при описании методов охлаждения коммерческих зданий и домов.Особенно, если вы живете в теплом климате, где охлаждение почти необходимо. А как насчет охлаждения электронных компонентов, электрических шкафов, небольших помещений, таких как автомобили и кемперы? Часто нецелесообразно использовать системы на основе воды или фреона для охлаждения.

Существует уже давно существующая альтернатива охлаждению небольших участков твердотельной электроникой. Использование эффекта Пельтье - один из наиболее практичных методов. В качестве термоэлектрического кондиционера эти устройства можно использовать там, где нельзя использовать обычные охладители.

Как изготавливаются охладители Пельтье?

Можно получить небольшие обычно керамические охладители и сконструировать свой собственный охладитель с эффектом Пельтье. Теплопроводящие пластины будут становиться горячими и холодными при подаче постоянного тока на сборку. Без возможности рассеять температуру, создаваемую с обеих сторон, создаваемая температура может вывести устройство из строя. Необходимы дополнительные компоненты.

Радиатор необходим для отвода тепла с одной стороны зажатых компонентов.Поверхность на горячей стороне быстро нагревается, когда другая сторона охлаждается. В обратном направлении лед может быть создан на другой поверхности за короткий промежуток времени. За счет добавления радиаторов с обеих сторон передача тепла и охлаждения имеет более практическое применение.

В небольших масштабах устройства можно использовать для отвода тепла от электронных компонентов, например микросхемы ЦП в компьютерном устройстве. Для больших физических пространств, таких как электрический шкаф, для практического применения необходимы вентиляторы, подключенные с одной или с обеих сторон.

Независимо от размера, требуется наличие системы управления для предотвращения перегрева устройства и контроля температуры.


Каковы области применения и особенности охладителей Пельтье? Типовые области применения термоэлектрических охладителей воздух-воздух:

  • Панели управления / внешние корпуса
  • Аналитические / медицинские приборы
  • Промышленное оборудование
  • Охлаждение продуктов питания и напитков
  • Телекоммуникационные шкафы
  • Ветряные мельницы
  • Охладители для воды / вина
  • Космические аппараты и спутники
  • Корпуса для банкоматов

Термоэлектрические охладители имеют следующие обозначения:

  • Без хладагентов
  • Компактный дизайн
  • Работа при постоянном токе
  • Надежная твердотельная конструкция
  • Признан ETL и соответствует требованиям RoHS
  • Прочность
  • Сокращение времени ремонта и простоя
  • В наличии

Контроль температуры внутри наружных электронных шкафов.

Наружные шкафы, устанавливаемые в таких условиях, нуждаются в системах управления температурным режимом для предотвращения падения температуры ниже точки росы.

Где существуют эти условия? Многие нефтегазовые предприятия находятся в местах, где температура и влажность значительно меняются в зависимости от времени года. Техас, Северная Африка, Ближний Восток - это лишь некоторые из них. На юге Ирака и других нефтяных месторождениях на Ближнем Востоке температура может варьироваться от 125 F до 25 F.Эти температуры включали широкий диапазон значений влажности и точек росы.

Нагреватели

часто используются для поддержания влажности внутри шкафа ниже точки росы. Эти обогреватели устанавливаются в нижней части шкафа, где естественная конвекция переносит тепло через шкаф. Иногда используется вентилятор, чтобы тепло равномерно распределялось по всем поверхностям. Нагреватели с точечной поверхностной проводимостью также могут использоваться для выбранных компонентов, которые могут быть более восприимчивыми к образованию конденсата на их поверхностях.

Летом естественной конвекции и принудительной подачи воздуха недостаточно, чтобы поддерживать рабочие температуры электронного оборудования ниже их критических пороговых значений. Воздухоохладители Пельтье в сочетании с вентиляторами могут сделать это в более отдаленных районах. Нет необходимости в воде или фреоне в пустыне, где одного мало, а другого трудно обслуживать.

Системы контроля температуры

Влажность, создающая влагу в шкафах при изменении температуры, может быть проблемой.Одно из решений - включить датчик для определения влажности воздуха.

Датчик влажности (или гидростат) определяет влажность воздуха. Датчик влажности, гигростат, измеряет и сообщает как влажность, так и температуру воздуха. Отношение влажности воздуха к максимальному количеству влаги при определенной температуре воздуха называется относительной влажностью. Относительная влажность становится важным фактором в борьбе с конденсацией.

Когда датчик определяет, что влажность становится слишком высокой по сравнению с температурой, он может включить нагревательные элементы для повышения температуры.Повышение температуры снижает относительную влажность в шкафу и снижает вероятность образования конденсата. Эти типы контуров управления можно найти в вашем домашнем холодильнике, предотвращающем образование конденсата на внутренних стенах и продуктах питания. Обычные бытовые морозильные камеры не имеют защиты от конденсата из-за более низкой температуры, и вы обнаружите лед (конденсат) на поверхности упаковок внутри.

Та же концепция используется в наружных электронных шкафах, таких как банкоматы, киоски, средства управления светофорами, в промышленных приложениях, таких как нефтегазовая промышленность, ветряные мельницы и другие, установленные в удаленных местах.

Какие элементы управления и устройства доступны в DBK USA .

ПТК оребренный воздухонагреватель ПТК поверхностные нагреватели ПТК конвекционные нагреватели

Нагреватели вентилятора

ПТК контролируют термоэлектрические охладители

Пельтир

Нагрев и охлаждение с помощью контроллера Пельтье

Контроллеры ТЕС используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями.Элементы Пельтье - это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока.
В этой статье описывается, как нагрев и охлаждение возможны с помощью контроллеров Пельтье.

TEC Controller Обзор продукта

Нагрев и охлаждение с помощью контроллера Пельтье

Термоэлектрическое охлаждение (TEC) стало предпочтительным методом для быстрого и компактного регулирования температуры. Электрический ток через так называемый элемент Пельтье вызывает активный перенос тепла.Когда одна сторона прикреплена к радиатору, сторона «объекта» термоэлектрического элемента может охлаждаться или нагреваться по отношению к радиатору. Контроллер Пельтье с биполярным выходом генерирует токи соответственно при достижении заданной температуры. Для этого контроллер Пельтье должен знать температуру объекта, следовательно, иметь вход датчика. Основными критериями выбора контроллера Пельтье являются его номинальные токи и напряжения, точность и стабильность. Другими важными характеристиками контроллера Пельтье могут быть его функции безопасности, простота использования (связь, автонастройка, комплектное программное обеспечение), размер устройства и эффективность.Общий анализ эффективности должен учитывать потери не только в контроллере Пельтье, но и во всем охлаждающем оборудовании, включая элемент Пельтье.

Контроллер Пельтье TEC-1089

Термоэлектрические (побочные) эффекты

Термоэлектрические охладители состоят из чередующихся переходов между n- и p-точечными полупроводниками. Под действием электрического тока создается желаемый тепловой поток (эффект Пельтье). Однако охлаждающая способность элемента Пельтье не бесконечна: чем больше ток выдает контроллер Пельтье, тем больше джоулева тепла генерируется всеми проводниками, включая термоэлектрический элемент.Это паразитный эффект нагрева, который полностью нейтрализует желаемый эффект охлаждения выше определенного порога. На практике это означает, что термоэлектрический охладитель, работающий на максимально допустимом токе, вряд ли вообще может охлаждаться. Это также влияет на выбор архитектуры контроллера Пельтье. Чтобы обеспечить элемент 10 A / 10 V, скажем, 6 A, недорогой контроллер Пельтье на основе ШИМ, способный переключать 10 A, будет обеспечивать 0 A в 40% случаев и 10 A в 60%. Помимо потенциального появления электронного шума, контроллер Пельтье неэффективен в течение 40% времени, а модуль TEC неэффективен в течение 60% времени.Однако, если выбран более продвинутый контроллер ТЕС с выходом постоянного тока, контроллер Пельтье работает с номинальной эффективностью (85% и более), а модуль Пельтье работает в оптимальных условиях.

Отопление и охлаждение, домохозяйство

Еще одна причина, по которой термоэлектрический модуль обладает ограниченной охлаждающей способностью, - это теплопроводность: чем больше разница температур между холодной и горячей сторонами, тем большее количество тепла стремится уравновесить - за счет теплопроводности через модуль TEC.Вспомогательный вход контроллера Пельтье используется для измерения температуры на стороне стока. Хороший контроллер Пельтье учтет это и спрогнозирует тепловой поток. Горячая раковина помогает, когда необходимо повысить заданную температуру объекта, поскольку для нагрева требуется меньший электрический ток. Эффективный контроллер Пельтье будет знать об асимметрии между доступной в настоящее время мощностью нагрева и охлаждения и соответственно будет работать. (Основная причина для реализации подпрограмм энергосбережения в контроллере Пельтье - это не проблемы энергосбережения, а оптимальная, более стабильная работа).

Контроллер Meerstetter Peltier

Контроллеры

Meerstetter Peltier / TEC - это усовершенствованные термоэлектрические контроллеры температуры, доступные с различными номинальными токами в виде компактных одноканальных и универсальных двухканальных моделей. Каждый канал контроллера Пельтье представляет собой источник постоянного тока с практически без пульсации выходным сигналом, который будет управлять элементом Пельтье в оптимальных условиях. Каждый канал контроллера Пельтье имеет вход точного измерения температуры объекта (Pt100, Pt1000, NTC), а также дополнительный вход температуры стока (NTC).Контроллер Пельтье будет использовать оптимальную мощность помещения (см. Выше) для наиболее эффективного обогрева и охлаждения. Доступны автонастройка и настраиваемая индикация стабильности температуры, а удобный программный пакет позволяет пользователям контролировать и настраивать все параметры контроллера Пельтье (такие как текущие значения, параметры модели и пределы безопасности).

Введение в термоэлектрическое охлаждение - термоэлектрическое

1.0 Введение в термоэлектрическое охлаждение

1.1 Термоэлектрический (ТЭ) охладитель, иногда называемый термоэлектрическим модулем или охладителем Пельтье, представляет собой электронный компонент на основе полупроводников, который функционирует как небольшой тепловой насос. При подаче низковольтного источника питания постоянного тока на ТЕ-модуль тепло будет перемещаться через модуль от одной стороны к другой. Таким образом, одна поверхность модуля будет охлаждаться, в то время как противоположная сторона одновременно нагревается. 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.

1.1.1 Чтобы дать новому пользователю общее представление о возможностях термоэлектрического охладителя, было бы полезно предложить этот пример. Если бы типичный одноступенчатый термоэлектрический модуль был помещен на радиатор, который поддерживался при комнатной температуре, а затем модуль был подключен к подходящей батарее или другому источнику постоянного тока, «холодная» сторона модуля остыла бы примерно до - 40 ° С.В этот момент модуль почти не будет перекачивать тепло и достигнет своего максимального номинального значения «DeltaT (DT)». Если постепенно подводить тепло к холодной стороне модуля, температура холодной стороны будет постепенно увеличиваться, пока в конечном итоге не сравняется с температурой радиатора. К этому моменту охладитель TE достиг бы максимальной номинальной «тепловой насосной мощности» (Qmax).

1,2 И термоэлектрические охладители, и механические холодильники подчиняются одним и тем же фундаментальным законам термодинамики, и обе холодильные системы, хотя и значительно различаются по форме, функционируют в соответствии с одними и теми же принципами.

В механической холодильной установке компрессор повышает давление жидкости и обеспечивает циркуляцию хладагента по системе. В испарителе или «морозильной камере» хладагент закипает, и в процессе превращения в пар хладагент поглощает тепло, в результате чего морозильная камера становится холодной. Тепло, поглощаемое в морозильной камере, перемещается в конденсатор, где оно передается в окружающую среду от конденсирующегося хладагента. В термоэлектрической системе охлаждения легированный полупроводниковый материал по существу заменяет жидкий хладагент, конденсатор заменяется оребренным радиатором, а компрессор заменяется источником питания постоянного тока.Приложение мощности постоянного тока к термоэлектрическому модулю заставляет электроны перемещаться через полупроводниковый материал. На холодном конце (или «стороне замораживания») полупроводникового материала тепло поглощается движением электронов, проходит через материал и отводится на горячем конце. Поскольку горячий конец материала физически прикреплен к радиатору, тепло передается от материала к радиатору, а затем, в свою очередь, передается в окружающую среду.

1,3 Физические принципы, на которых основаны современные термоэлектрические охладители, на самом деле восходят к началу 1800-х годов, хотя коммерческие TE-модули не были доступны почти до 1960 года.Первое важное открытие, касающееся термоэлектричества, произошло в 1821 году, когда немецкий ученый Томас Зеебек обнаружил, что электрический ток будет непрерывно течь по замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлов, при условии, что соединения металлов поддерживаются при двух разных температурах. Однако Зеебек на самом деле не понимал научной основы своего открытия и ошибочно предполагал, что текущее тепло производит тот же эффект, что и электрический ток. В 1834 году французский часовщик и физик по совместительству Жан Пельтье, исследуя «эффект Зеебека», обнаружил противоположное явление, при котором тепловая энергия может поглощаться на одном стыке разнородных металлов и разряжаться на другом стыке, когда электрический ток течет по замкнутому контуру.Двадцать лет спустя Уильям Томсон (впоследствии известный как лорд Кельвин) опубликовал исчерпывающее объяснение эффектов Зеебека и Пельтье и описал их взаимосвязь. Однако в то время эти явления все еще считались лабораторными диковинками и не имели практического применения.

В 1930-х годах российские ученые приступили к изучению некоторых из ранних термоэлектрических работ, пытаясь сконструировать генераторы для использования в удаленных местах по всей стране.Этот интерес россиян к термоэлектричеству в конечном итоге привлек внимание остального мира и вдохновил на разработку практических термоэлектрических модулей. В современных термоэлектрических охладителях используется современная полупроводниковая технология, в соответствии с которой легированный полупроводниковый материал заменяет разнородные металлы, которые использовались в ранних термоэлектрических экспериментах.

1,4 Эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона вместе с некоторыми другими явлениями составляют основу функциональных термоэлектрических модулей.Не вдаваясь в подробности, мы рассмотрим некоторые из этих фундаментальных термоэлектрических эффектов.

1.4.1 ЭФФЕКТ Зеебека: Чтобы проиллюстрировать эффект Зеебека, давайте рассмотрим простую схему термопары, показанную на рисунке (1.1). Проводники термопары представляют собой два разнородных металла, обозначенных как Материал x и Материал y.

В типичном приложении для измерения температуры термопара A используется в качестве «эталона» и поддерживается при относительно низкой температуре Tc.Термопара B используется для измерения интересующей температуры (Th), которая в этом примере выше температуры Tc. Когда к термопаре B приложено тепло, на клеммах T1 и T2 появится напряжение. Это напряжение (Vo), известное как ЭДС Зеебека, может быть выражено как:

Vo = выходное напряжение в вольтах
axy = дифференциальный коэффициент Зеебека между двумя материалами, x и y, в вольтах / ° K
Th и Tc = температура горячей и холодной термопары, соответственно , в ° К

1.4.2 ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ: Если мы изменим нашу схему термопары, чтобы получить конфигурацию, показанную на рисунке (1.2), можно будет наблюдать противоположное явление, известное как эффект Пельтье.

Если напряжение (Vin) приложено к клеммам T1 и T2, в цепи будет протекать электрический ток (I). В результате протекания тока небольшой охлаждающий эффект (Qc) будет возникать в месте соединения A термопары, где поглощается тепло, и эффект нагрева (Qh) будет возникать в соединении B, где тепло отводится.Обратите внимание, что этот эффект может быть обращен вспять, когда изменение направления электрического тока изменит направление теплового потока на противоположное. Математически эффект Пельтье можно выразить как:

pxy - это дифференциальный коэффициент Пельтье между двумя материалами, x и y, в вольтах, I - электрический ток в амперах, Qc, Qh - скорость охлаждения и нагрева, соответственно, в ваттах.

Джоулева нагрев, имеющий величину I x R (где R - электрическое сопротивление), также происходит в проводниках в результате протекания тока.Этот эффект нагрева Джоуля действует противоположно эффекту Пельтье и приводит к чистому снижению доступного охлаждения.

1.4.3 ЭФФЕКТ ТОМСОНА: Когда электрический ток проходит через проводник, имеющий градиент температуры по всей его длине, тепло будет либо поглощаться проводником, либо отводиться от него. Поглощение или отвод тепла зависит от направления электрического тока и температурного градиента. Это явление, известное как эффект Томсона, представляет интерес с точки зрения задействованных принципов, но играет незначительную роль в работе практических термоэлектрических модулей.По этой причине он игнорируется.

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 привыкают 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.


Модуль Пельтье для охлаждения.
Диспенсер для воды из модуля слева.

Обратите внимание, что существует 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.

Внутри диспенсера для воды.
Детали от дозатора воды.

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, отводящего тепло прочь с этим. Все это было поставлено на банки, чтобы было комната внизу, чтобы воздух мог выходить прочь.

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.

Начало тестовой установки.

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 тот. 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.

Нанесение алюминиевого квадрата.
Надевание банки.
Добавление изоляции.
Заливка водой.
Вставка термометра.
Изоляция верха.

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 начальный скачок длительностью в несколько секунд, а затем поселился.Затем их значения были записаны.

Полная настройка. Запись измерений.

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)


Время
Температура
Цельсия
Температура
Фаренгейта
Напряжение Текущий
15:55 18C 64.4F 13,1 В 3.8A
16:56 14,5C 58.1F 12,8 В 3.66A

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. Это имеет дополнительную функцию отображения небольшого количества воды заморозить, сидя на модуле Пельтье всего на несколько минут.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *