Element Peltiera
Element Peltiera [ pɛl.tje ] jest przetwornikiem elektrotermicznym, który w oparciu o efekt Peltiera (według Jeana Peltiera , 1785-1845) generuje różnicę temperatur, gdy przepływa prąd lub przepływ prądu ( efekt Seebecka ), gdy występuje różnica temperatur . Elementy Peltiera mogą być używane zarówno do chłodzenia, jak i ogrzewania. Powszechnym skrótem dla elementów Peltiera i chłodnic Peltiera jest TEC ( chłodnica termoelektryczna ).
Zasada, podstawy
Podstawą efektu Peltiera jest kontakt dwóch półprzewodników o różnych poziomach energii (przewodzących albo p-, albo n) pasm przewodnictwa . Jeśli prąd przepływa przez dwa kolejne punkty styku tych materiałów, energia cieplna musi zostać pochłonięta w jednym punkcie styku, aby elektron mógł dostać się do energetycznie wyższego pasma przewodnictwa sąsiedniego materiału półprzewodnikowego, co prowadzi do ochłodzenia. W drugim punkcie styku elektron spada z wyższego na niższy poziom energetyczny, tak że tutaj energia jest oddawana w postaci ciepła.
Ponieważ półprzewodniki z domieszką typu n mają niższy poziom energetyczny pasma przewodnictwa, chłodzenie następuje w punkcie, w którym elektrony przechodzą z półprzewodnika z domieszką typu n do półprzewodnika z domieszką typu p (techniczny przepływ prądu od półprzewodnika z domieszką typu p do półprzewodnika z domieszką typu n). ).
Efekt ten występuje również w przypadku metali, ale tutaj jest bardzo niewielki i prawie całkowicie pokrywa się z utratą ciepła i wysoką przewodnością cieplną .
Element Peltiera składa się z dwóch lub więcej małych prostopadłościanów, z których każdy wykonany jest z materiału półprzewodnikowego domieszkowanego p i n ( tellurek bizmutu , german krzemowy ), które są na przemian połączone mostkami metalowymi na górze i na dole. Metalowe mostki tworzą również powierzchnie kontaktu termicznego i są izolowane za pomocą folii lub płytki ceramicznej. Zawsze dwa różne prostopadłościany są ze sobą połączone w taki sposób, że tworzą połączenie szeregowe . Dostarczony prąd elektryczny przepływa przez wszystkie prostopadłościany jeden po drugim. W zależności od siły i kierunku prądu , górne złącza schładzają się, podczas gdy dolne złącza się nagrzewają. W ten sposób prąd pompuje ciepło z jednej strony na drugą i tworzy różnicę temperatur między płytami.
Najpopularniejsza forma elementów Peltiera składa się z dwóch w większości kwadratowych płytek wykonanych z tlenku glinu - ceramiki o długości krawędzi od 20 mm do 90 mm i odległości od 3 mm do 5 mm, pomiędzy którymi wlutowane są prostopadłościany półprzewodnikowe. W tym celu powierzchnie ceramiczne są wyposażone na ich powierzchniach czołowych w lutowalne powierzchnie metalowe.
Bez dalszych środków różnicę ciepła między zimną lub gorącą stroną elementu Peltiera a otoczeniem (np. powietrzem) można skompensować głównie tylko promieniowaniem cieplnym, a tym bardziej konwekcją. Jednak ilość ciepła transportowanego między gorącą i zimną stroną pozostaje taka sama, podobnie jak różnica temperatur. Różnica temperatur między obiema stronami może wynosić do ok. 70 Kelvinów dla elementów jednostopniowych, w zależności od elementu i prądu.
Jeśli konwekcja zostanie zwiększona z jednej strony za pomocą dołączonego radiatora z wentylatorem , to po tej stronie zostanie ustawiona temperatura zbliżona do temperatury otoczenia. Z drugiej strony temperatura będzie się bardziej różnić od temperatury otoczenia. Rezystor grzewczy może znacznie łatwiej zamieniać energię elektryczną w ciepło, więc efekt chłodzenia jest ciekawszym zadaniem elementu Peltiera, a gorąca strona jest zwykle aktywnie wentylowana, aby zwiększyć efekt chłodzenia.
Odwrotnością efektu Peltiera jest efekt Seebecka . W ten sposób możliwe jest generowanie napięcia elektrycznego poprzez wytworzenie różnicy temperatur między dwoma stronami elementu Peltiera (patrz także generator termoelektryczny , zbieranie energii ).
Wydajność
Ważnymi czynnikami wpływającymi na sprawność (podobnie jak sprawność ) elementu Peltiera są przewodnictwo cieplne i oporność właściwa użytego materiału półprzewodnikowego. Wytwarzany przepływ ciepła jest proporcjonalny do prądu elektrycznego. Różnica temperatur między bokami tworzy przepływ powrotny ciepła w elemencie, proporcjonalny do różnicy temperatur i przewodności cieplnej. Przepływający prąd powoduje straty ciepła, które rosną kwadratowo wraz z natężeniem prądu i są proporcjonalne do rezystancji właściwej. Sprawność ( współczynnik wydajności ) jako stosunek zużytej energii elektrycznej do przepływu ciepła użytkowego zatem maleje - podwojenie prądu elektrycznego podwaja przepływ ciepła, ale czterokrotnie zwiększa straty ciepła. Przepływ powrotny ciepła można zmniejszyć, jeśli zapewnione jest efektywne przewodzenie ciepła do powierzchni zewnętrznych (radiator, wentylacja), dzięki czemu różnica temperatur jest utrzymywana na niskim poziomie.
Podsumowując, sprawność spada wraz ze wzrostem energii elektrycznej i wzrasta wraz z dobrym dostarczaniem i odprowadzaniem ciepła.
Zalety i wady
Największe zalety elementu Peltiera to mały rozmiar, niewielka waga oraz unikanie jakichkolwiek ruchomych elementów, gazów i cieczy. Z drugiej strony maszyna chłodnicza zawsze wymaga czynnika chłodniczego iw większości przypadków sprężarki .
Dzięki elementom Peltiera możliwe jest zarówno chłodzenie, jak i ogrzewanie. W ten sposób kontrolę temperatury komponentów można również osiągnąć, gdy temperatura otoczenia jest wyższa lub niższa od temperatury zadanej.
Wadą elementów Peltiera jest niska sprawność ok. 1/10 sprawności Carnota , co prowadzi do dużego zużycia energii elektrycznej przy stosunkowo niskiej wydajności chłodniczej lub różnicy temperatur. Ponadto elementy większe niż 50 mm × 50 mm są trudno dostępne.
posługiwać się
Elementy Peltiera mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest chłodzenie przy niewielkiej różnicy temperatur lub bez wymagań ekonomicznych. Elementy Peltiera są stosowane, na przykład w skrzynkach chłodnych , w którym zastosowanie chłodziarki jest zabronione ze względów powierzchni lub nie będzie opłacalne z powodu wymaganej wydajności chłodzenia jest mała. Różnica temperatur pomiędzy wnętrzem a otoczeniem jest po prostu generowana w niekontrolowany sposób. Wydajność jest niska.
Elementy Peltiera służą do chłodzenia szczególnie długofalowych lub czułych czujników CCD . To znacznie redukuje szum obrazu przy długich czasach naświetlania (np. w astrofotografii ) . Wielostopniowe elementy Peltiera służą do chłodzenia odbiorników promieniowania w czujnikach podczerwieni .
Elementy Peltiera są również coraz częściej stosowane w laboratoryjnych przyrządach pomiarowych, w których istotnym parametrem jest temperatura , takich jak przyrządy do pomiaru gęstości , wiskozymetry , reometry czy refraktometry .
W higrometrach lustrzanych punktu rosy jeden lub więcej elementów Peltiera połączonych szeregowo zwykle schładza lustro do -100°C. W tym przypadku wykorzystuje się fakt, że wydajność chłodzenia elementów Peltiera można szybko regulować elektrycznie.
Lasery diodowe są często chłodzone i termostatowane za pomocą elementów Peltiera w celu utrzymania stałej długości fali emisji i/lub wydajności. Dolne elementy optyczne diody i innych laserów są często termostatowane elementami Peltiera.
Elementy Peltiera są czasami używane jako część chłodnic procesora . Element Peltiera umożliwia schłodzenie procesora do temperatur poniżej temperatury wewnątrz obudowy, co pozwala na podkręcenie procesora bez poświęcania stabilności lub zwiększa żywotność procesora. Element montowany jest na spodzie radiatora z wentylatorem i zasilany wymaganą mocą z zasilacza . Do tej pory jednak takie rozwiązania nie zostały wdrożone ze względu na ich dodatkowe zużycie energii, zużyta energia elektryczna oddawana jest do wnętrza obudowy jako ciepło odpadowe.
Fotodiody , na przykład B. do odczytu scyntylatorów , mogą być chłodzone elementami Peltiera ze względu na ich małą powierzchnię, a tym samym redukują szumy i ciemne prądy.
Elementy Peltiera są stosowane w komorach mgły dyfuzyjnej w celu utrzymania różnicy temperatur między dnem a pokrywą.
Termocyklery , które są dziś częścią podstawowego wyposażenia w biologii molekularnej , wykorzystują elementy Peltiera do szybkiego podgrzewania i schładzania próbek, co jest niezbędne np. w reakcji łańcuchowej polimerazy .
Elementy Peltiera są czasami używane w małych osuszaczach . Tutaj wilgotne powietrze przepływa przez element chłodzący, a zawarta w nim woda skrapla się podczas schładzania i jest gromadzona w pojemniku zbiorczym.
linki internetowe
- www.siteware.ch/peltier : Jasne wyjaśnienie efektów termoelektrycznych
- Przykład zastosowania elementu Peltiera do chłodzenia procesora
- www.peltier-element.de : Seria testowa napięcia, prądu zwarciowego i mocy w funkcji różnicy temperatur
Indywidualne dowody
- ↑ Podstawy Peltiera. Źródło 9 stycznia 2020 .