Pusvadītāju Peltier ledusskapji

Mūsdienu augstas veiktspējas elektronisko komponentu darbība, kas veido datoru pamatu, ir saistīta ar ievērojamu siltuma veidošanos, īpaši, ja tie tiek darbināti piespiedu pārspīlēšanas režīmos. Šādu komponentu efektīvai darbībai ir nepieciešami atbilstoši dzesēšanas līdzekļi, lai nodrošinātu to darbībai nepieciešamos temperatūras apstākļus. Parasti šādi līdzekļi optimālu temperatūras apstākļu uzturēšanai ir dzesētāji, kuru pamatā ir tradicionālie radiatori un ventilatori.

Šādu instrumentu uzticamība un veiktspēja nepārtraukti uzlabojas, uzlabojot to dizainu, izmantojot jaunākās tehnoloģijas un to sastāvā izmantojot dažādus sensorus un vadības ierīces. Tas ļauj integrēt šādus rīkus datorsistēmās, nodrošinot diagnostiku un to darbības vadību, lai sasniegtu vislielāko efektivitāti, vienlaikus nodrošinot optimālus temperatūras apstākļus datora elementu darbībai, kas palielina uzticamību un pagarina to bezproblēmu periodu. darbība.

Tradicionālo dzesētāju parametri nepārtraukti uzlabojas, tomēr pēdējā laikā datoru tirgū ir parādījušies tādi specifiski elektronisko elementu dzesēšanas līdzekļi kā pusvadītāju Peltier ledusskapji, kas drīz vien kļuvuši populāri (lai gan bieži tiek lietots vārds dzesētājs, Peltier gadījumā pareizais termins elementi ir precīzi ledusskapis).

Peltjē ledusskapji, kas satur īpašus pusvadītāju termoelektriskos moduļus, kuru darbības pamatā ir 1834. gadā atklātais Peltjē efekts, ir ārkārtīgi perspektīvas dzesēšanas iekārtas. Šādi instrumenti jau daudzus gadus ir veiksmīgi izmantoti dažādās zinātnes un tehnoloģiju jomās.

Sešdesmitajos un septiņdesmitajos gados vietējā rūpniecība atkārtoti mēģināja ražot maza izmēra mājsaimniecības ledusskapjus, kuru darbības pamatā bija Peltjē efekts. Tomēr esošo tehnoloģiju nepilnības, zemās efektivitātes vērtības un augstās cenas neļāva šādām ierīcēm tajā laikā atstāt pētniecības laboratorijas un testēšanas stendus.

Taču Peltjē efekts un termoelektriskie moduļi nav tikai zinātnieku kompetencē. Tehnoloģiju uzlabošanas procesā daudzas negatīvas parādības ir būtiski mazinātas. Šo centienu rezultātā ir izveidoti ļoti efektīvi un uzticami pusvadītāju moduļi.

Pēdējos gados šie moduļi, kuru darbības pamatā ir Peltjē efekts, tiek aktīvi izmantoti dažādu datoru elektronisko komponentu dzesēšanai. Jo īpaši tos sāka izmantot, lai atdzesētu modernus jaudīgus procesorus, kuru darbību pavada augsts siltuma ražošanas līmenis.

Pateicoties savām unikālajām termiskajām un ekspluatācijas īpašībām, uz termoelektrisko moduļu – Peltjē moduļu bāzes radītās iekārtas ļauj bez īpašām tehniskām grūtībām un finansiāliem izdevumiem sasniegt nepieciešamo datora elementu dzesēšanas līmeni. Kā elektronisko komponentu dzesētāji šie līdzekļi nepieciešamo temperatūras apstākļu uzturēšanai to darbībai ir ārkārtīgi daudzsološi. Tie ir kompakti, ērti, uzticami un tiem ir ļoti augsta darbības efektivitāte.

Pusvadītāju ledusskapji ir īpaši interesanti kā līdzeklis intensīvas dzesēšanas nodrošināšanai datorsistēmās, kuru elementi tiek uzstādīti un darbojas smagos piespiedu režīmos. Šādu pārspīlēšanas režīmu izmantošana bieži nodrošina būtisku izmantoto elektronisko komponentu un līdz ar to arī visas datorsistēmas veiktspējas pieaugumu. Taču datora komponentu darbībai šādos režīmos ir raksturīga ievērojama siltuma ģenerēšana un bieži vien tā atrodas uz datoru arhitektūru, kā arī esošo un izmantoto mikroelektronisko tehnoloģiju iespēju robežas. Šādi datoru komponenti, kuru darbību pavada augsta siltuma ģenerēšana, ir ne tikai augstas veiktspējas procesori, bet arī mūsdienu augstas veiktspējas video adapteru elementi un dažos gadījumos arī atmiņas moduļu mikroshēmas. Šādiem jaudīgiem elementiem pareizai darbībai ir nepieciešama intensīva dzesēšana pat parastos režīmos un vēl jo vairāk pārtaktēšanas režīmos.

Peltjē moduļi

Peltjē ledusskapjos tiek izmantots parasts, tā sauktais termoelektriskais ledusskapis, kura darbības pamatā ir Peltjē efekts. Šis efekts ir nosaukts franču pulksteņmeistara Peltjē (1785-1845) vārdā, kurš savu atklājumu veica pirms vairāk nekā pusotra gadsimta - 1834. gadā.

Pats Peltjē ne visai izprata viņa atklātās parādības būtību. Parādības patieso nozīmi dažus gadus vēlāk 1838. gadā noteica Lencs (1804-1865).

Lencs ievietoja ūdens pilienu padziļinājumā divu bismuta un antimona stieņu savienojuma vietā. Kad elektriskā strāva tika nodota vienā virzienā, ūdens pile sasala. Kad strāva tika virzīta pretējā virzienā, iegūtais ledus izkusa. Tādējādi tika noskaidrots, ka, elektriskā strāva iet caur divu vadītāju kontaktu, atkarībā no pēdējo virziena papildus džoula siltumam tiek atbrīvots vai absorbēts papildu siltums, ko sauc par Peltjē siltumu. Šo parādību sauc par Peltjē fenomenu (Peltjē efekts). Tādējādi tas ir Zībeka fenomena apgrieztais rezultāts.

Ja slēgtā ķēdē, kas sastāv no vairākiem metāliem vai pusvadītājiem, temperatūras metālu vai pusvadītāju saskares punktos ir atšķirīgas, tad ķēdē parādās elektriskā strāva. Šo termoelektriskās strāvas fenomenu 1821. gadā atklāja vācu fiziķis Zēbeks (1770-1831).

Atšķirībā no Džoula-Lenca siltuma, kas ir proporcionāls strāvas stipruma kvadrātam (Q=R·I·I·t), Peltjē siltums ir proporcionāls strāvas stipruma pirmajai pakāpei un maina zīmi, kad strāvas stipruma virziens. pēdējās izmaiņas. Peltjē siltumu, kā liecina eksperimentālie pētījumi, var izteikt ar formulu:

Qп = П ·q

kur q ir izvadītās elektroenerģijas daudzums (q=I·t), P ir tā sauktais Peltjē koeficients, kura vērtība ir atkarīga no saskarē esošo materiālu rakstura un to temperatūras.

Peltjē siltums Qп tiek uzskatīts par pozitīvu, ja tas tiek atbrīvots, un par negatīvu, ja tas tiek absorbēts.

Rīsi. 1. Eksperimenta shēma Peltjē siltuma, Cu - vara, Bi - bismuta mērīšanai.

Prezentētajā Peltjē siltuma mērīšanas eksperimenta diagrammā ar vienādu kalorimetros nolaisto vadu R (Cu+Bi) pretestību katrā kalorimetrā tiks atbrīvots vienāds džoula siltums, proti, saskaņā ar Q=R·I·. I·t. Peltjē siltums, gluži pretēji, būs pozitīvs vienā kalorimetrā un negatīvs otrā. Saskaņā ar šo shēmu ir iespējams izmērīt Peltjē siltumu un aprēķināt Peltjē koeficientu vērtības dažādiem vadītāju pāriem.

Jāatzīmē, ka Peltjē koeficients ir būtiski atkarīgs no temperatūras. Dažas Peltjē koeficienta vērtības dažādiem metālu pāriem ir parādītas tabulā.

Peltjē koeficients, kas ir svarīgs materiālu tehniskais raksturojums, parasti netiek mērīts, bet tiek aprēķināts, izmantojot Tomsona koeficientu:

P = a T

kur P ir Peltjē koeficients, a ir Tomsona koeficients, T ir absolūtā temperatūra.

Peltjē efekta atklāšanai bija liela ietekme uz turpmāko fizikas un pēc tam dažādu tehnoloģiju jomu attīstību.

Tātad atvērtā efekta būtība ir šāda: kad elektriskā strāva iet caur divu dažādu materiālu vadītāju kontaktu, atkarībā no tā virziena papildus džoula siltumam tiek atbrīvots vai absorbēts papildu siltums, ko sauc par Peltjē. karstums. Šī efekta izpausmes pakāpe lielā mērā ir atkarīga no izvēlēto vadītāju materiāliem un izmantotajiem elektriskajiem režīmiem.

Klasiskā teorija skaidro Peltjē fenomenu ar to, ka elektronus, kas ar strāvu pārnes no viena metāla uz otru, paātrina vai palēnina metālu iekšējā kontakta potenciāla atšķirība. Pirmajā gadījumā elektronu kinētiskā enerģija palielinās un pēc tam tiek atbrīvota kā siltums. Otrajā gadījumā elektronu kinētiskā enerģija samazinās, un šis enerģijas zudums tiek papildināts otrā vadītāja atomu termisko vibrāciju dēļ. Tā rezultātā notiek dzesēšana. Pilnīgākā teorijā tiek ņemtas vērā nevis potenciālās enerģijas izmaiņas, kad elektrons tiek pārnests no viena metāla uz otru, bet gan kopējās enerģijas izmaiņas.

Peltjē efekts visspēcīgāk tiek novērots, ja tiek izmantoti p un n tipa pusvadītāji. Atkarībā no elektriskās strāvas virziena, saskaroties ar dažādu veidu pusvadītājiem - p-n- un n-p-savienojumiem, elektronu (n) un caurumu (p) attēloto lādiņu mijiedarbības un to rekombinācijas dēļ enerģija vai nu tiek absorbēta. vai atbrīvots. Šīs mijiedarbības un radīto enerģijas procesu rezultātā siltums tiek absorbēts vai atbrīvots. P- un n-veida pusvadītāju izmantošana termoelektriskajos ledusskapjos ir parādīta attēlā. 2.

Rīsi. 2. P- un n-veida pusvadītāju izmantošana termoelektriskajos ledusskapjos.

Apvienojot lielu skaitu p- un n-tipa pusvadītāju pāru, ir iespējams izveidot dzesēšanas elementus - salīdzinoši lielas jaudas Peltjē moduļus. Pusvadītāju termoelektriskā Peltjē moduļa struktūra ir parādīta attēlā. 3.

Rīsi. 3. Peltjē moduļa uzbūve

Peltjē modulis ir termoelektrisks ledusskapis, kas sastāv no p- un n-tipa pusvadītājiem, kas savienoti virknē, veidojot p-n- un n-p savienojumus. Katram no šiem krustojumiem ir termiskais kontakts ar vienu no diviem radiatoriem. Noteiktas polaritātes elektriskās strāvas pārejas rezultātā starp Peltjē moduļa radiatoriem veidojas temperatūras starpība: viens radiators darbojas kā ledusskapis, otrs radiators uzsilst un kalpo siltuma noņemšanai. Attēlā 4. attēlā parādīts tipiska Peltjē moduļa izskats.

Rīsi. 4. Peltjē moduļa izskats

Tipisks modulis nodrošina ievērojamu temperatūras starpību vairākus desmitus grādu. Ar atbilstošu apkures radiatora piespiedu dzesēšanu, otrs radiators - ledusskapis - ļauj sasniegt negatīvas temperatūras. Lai palielinātu temperatūras starpību, Peltier termoelektriskos moduļus ir iespējams ieslēgt kaskādes režīmā, vienlaikus nodrošinot atbilstošu dzesēšanu. Tas ļauj ar salīdzinoši vienkāršiem līdzekļiem iegūt ievērojamu temperatūras starpību un nodrošināt efektīvu aizsargāto elementu dzesēšanu. Attēlā 5. attēlā parādīts standarta Peltjē moduļu kaskādes savienojuma piemērs.

Rīsi. 5. Peltjē moduļu kaskādes savienojuma piemērs

Dzesēšanas ierīces, kuru pamatā ir Peltier moduļi, bieži sauc par aktīvajiem Peltier ledusskapjiem vai vienkārši Peltier dzesētājiem.

Peltier moduļu izmantošana aktīvajos dzesētājos padara tos ievērojami efektīvākus salīdzinājumā ar standarta dzesētāju veidiem, kuru pamatā ir tradicionālie radiatori un ventilatori. Tomēr, projektējot un izmantojot dzesētājus ar Peltjē moduļiem, ir jāņem vērā vairākas specifiskas iezīmes, kas izriet no moduļu konstrukcijas, to darbības principa, mūsdienu datoru aparatūras arhitektūras un sistēmas funkcionalitātes un lietojumprogrammatūra.

Liela nozīme ir Peltier moduļa jaudai, kas, kā likums, ir atkarīga no tā izmēra. Mazjaudas modulis nenodrošina nepieciešamo dzesēšanas līmeni, kas var izraisīt aizsargātā elektroniskā elementa, piemēram, procesora, darbības traucējumus tā pārkaršanas dēļ. Tomēr, izmantojot moduļus ar pārāk lielu jaudu, dzesēšanas radiatora temperatūra var pazemināties līdz mitruma kondensācijas līmenim no gaisa, kas ir bīstami elektroniskajām shēmām. Tas ir tāpēc, ka ūdens, kas nepārtraukti veidojas kondensācijas rezultātā, var izraisīt īssavienojumus datora elektroniskajās shēmās. Šeit ir lietderīgi atgādināt, ka attālums starp strāvu nesošiem vadītājiem uz mūsdienu iespiedshēmas plates bieži vien ir milimetru daļas. Tomēr, neskatoties ne uz ko, tieši jaudīgie Peltier moduļi kā daļa no augstas veiktspējas dzesētājiem un atbilstošajām papildu dzesēšanas un ventilācijas sistēmām ļāva KryoTech un AMD kopīgajos pētījumos pārspīlēt AMD procesorus, kas izveidoti, izmantojot tradicionālo tehnoloģiju, līdz frekvencēm, kas pārsniedz 1 GHz , tas ir, palielina to darbības frekvenci gandrīz 2 reizes, salīdzinot ar parasto darbības režīmu. Un jāuzsver, ka šāds veiktspējas līmenis tika sasniegts, nodrošinot nepieciešamo procesora darbības stabilitāti un uzticamību piespiedu režīmos. Šādas ekstrēmas pārspīlēšanas rezultāts bija veiktspējas rekords procesoru ar 80x86 arhitektūru un instrukciju sistēmu vidū. Un uzņēmums KryoTech ir nopelnījis labu naudu, piedāvājot tirgū savus dzesēšanas blokus. Aprīkoti ar atbilstošiem elektroniskiem komponentiem, tie izrādījās pieprasīti kā platformas augstas veiktspējas serveriem un darbstacijām. Un AMD saņēma apstiprinājumu par savu produktu augsto līmeni un bagātīgu eksperimentālo materiālu, lai turpinātu uzlabot savu procesoru arhitektūru. Starp citu, līdzīgi pētījumi tika veikti ar Intel Celeron, Pentium II, Pentium III procesoriem, kā rezultātā tika iegūts arī ievērojams veiktspējas pieaugums.

Jāpiebilst, ka Peltier moduļi to darbības laikā izdala salīdzinoši lielu siltuma daudzumu. Šī iemesla dēļ jums vajadzētu izmantot ne tikai jaudīgu ventilatoru kā dzesētāja daļu, bet arī pasākumus, lai samazinātu temperatūru datora korpusa iekšpusē, lai novērstu citu datora komponentu pārkaršanu. Lai to izdarītu, datora korpusā vēlams izmantot papildu ventilatorus, lai nodrošinātu labāku siltuma apmaiņu ar vidi ārpus korpusa.

Attēlā 6. attēlā parādīts aktīvā dzesētāja izskats, kurā tiek izmantots Peltjē pusvadītāju modulis.

Rīsi. 6. Dzesētāja izskats ar Peltjē moduli

Jāatzīmē, ka dzesēšanas sistēmas, kuru pamatā ir Peltjē moduļi, tiek izmantotas ne tikai elektroniskajās sistēmās, piemēram, datoros. Šādi moduļi tiek izmantoti dažādu augstas precizitātes ierīču dzesēšanai. Peltjē moduļiem ir liela nozīme zinātnē. Pirmkārt, tas attiecas uz eksperimentāliem pētījumiem, kas tiek veikti fizikā, ķīmijā un bioloģijā.

Informāciju par Peltier moduļiem un ledusskapjiem, kā arī to izmantošanas īpašībām un rezultātiem var atrast interneta vietnēs, piemēram, šādās adresēs:

Darbības iezīmes

Peltjē moduļi, kas tiek izmantoti kā komponenti elektronisko komponentu dzesēšanai, raksturojas ar salīdzinoši augstu uzticamību, un atšķirībā no ledusskapjiem, kas radīti, izmantojot tradicionālās tehnoloģijas, tiem nav kustīgu daļu. Un, kā minēts iepriekš, lai palielinātu to darbības efektivitāti, tie ļauj izmantot kaskādes, kas ļauj panākt aizsargāto elektronisko elementu korpusu temperatūru līdz negatīvām vērtībām, pat ar to ievērojamo izkliedes jaudu.

Tomēr papildus acīmredzamajām priekšrocībām Peltier moduļiem ir arī vairākas specifiskas īpašības un raksturlielumi, kas jāņem vērā, izmantojot tos kā dzesēšanas šķidrumu daļu. Dažas no tām jau ir atzīmētas, taču pareizai Peltier moduļu pielietošanai tie ir jāapsver sīkāk. Vissvarīgākie raksturlielumi ietver šādas darbības funkcijas:

• Peltjē moduļiem, kas to darbības laikā rada lielu siltuma daudzumu, dzesētājā ir nepieciešami atbilstoši radiatori un ventilatori, kas var efektīvi noņemt lieko siltumu no dzesēšanas moduļiem. Jāpiebilst, ka termoelektriskajiem moduļiem raksturīgs salīdzinoši zems darbības (efektivitātes) koeficients un, pildot siltumsūkņa funkcijas, tie paši ir spēcīgi siltuma avoti. Šo moduļu izmantošana kā daļu no datora elektronisko komponentu dzesēšanas līdzekļiem izraisa ievērojamu temperatūras paaugstināšanos sistēmas bloka iekšienē, kas bieži vien prasa papildu pasākumus un līdzekļus, lai samazinātu temperatūru datora korpusa iekšpusē. Pretējā gadījumā paaugstināta temperatūra korpusa iekšpusē rada darbības grūtības ne tikai aizsargātajiem elementiem un to dzesēšanas sistēmām, bet arī pārējām datora sastāvdaļām. Tāpat jāuzsver, ka Peltier moduļi ir salīdzinoši spēcīga papildu slodze barošanas blokam. Ņemot vērā Peltier moduļu pašreizējo patēriņu, datora barošanas avota jaudai jābūt vismaz 250 W. Tas viss noved pie tā, ka ir ieteicams izvēlēties ATX mātesplates un korpusus ar pietiekamas jaudas barošanas blokiem. Izmantojot šo dizainu, datora komponentiem ir vieglāk organizēt optimālus termiskos un elektriskos apstākļus. Jāpiebilst, ka ir Peltier ledusskapji ar savu barošanas bloku.
• Peltier modulis tā atteices gadījumā izolē dzesējamo elementu no dzesētāja radiatora. Tas izraisa ļoti ātru aizsargātā elementa termiskā režīma pārtraukšanu un tā strauju atteici no turpmākas pārkaršanas.
• Zema temperatūra, kas rodas Peltier ledusskapju darbības laikā ar pārmērīgu jaudu, veicina mitruma kondensāciju no gaisa. Tas rada risku elektroniskajiem komponentiem, jo ​​kondensāts var izraisīt īssavienojumu starp komponentiem. Lai novērstu šo apdraudējumu, ieteicams izmantot Peltier ledusskapjus ar optimālu jaudu. Tas, vai kondensācija notiek vai nē, ir atkarīgs no vairākiem parametriem. Svarīgākie ir: apkārtējās vides temperatūra (šajā gadījumā gaisa temperatūra korpusa iekšpusē), atdzesētā objekta temperatūra un gaisa mitrums. Jo siltāks gaiss korpusa iekšpusē un augstāks mitrums, jo lielāka ir mitruma kondensācijas iespējamība un tam sekojoša datora elektronisko komponentu atteice. Zemāk ir tabula, kas ilustrē mitruma kondensācijas temperatūras atkarību no atdzesēta objekta atkarībā no mitruma un apkārtējās vides temperatūras. Izmantojot šo tabulu, varat viegli noteikt, vai pastāv kondensāta risks. Piemēram, ja ārējā temperatūra ir 25°C un mitrums ir 65%, tad mitruma kondensācija uz atdzesētā objekta notiek, kad tā virsmas temperatūra ir zemāka par 18°C.

Mitruma kondensācijas temperatūra

Papildus šīm funkcijām ir jāņem vērā vairāki īpaši apstākļi, kas saistīti ar Peltier termoelektrisko moduļu izmantošanu kā daļu no dzesētājiem, ko izmanto, lai atdzesētu jaudīgu datoru augstas veiktspējas centrālos procesorus.

Mūsdienu procesoru arhitektūra un dažas sistēmas programmas paredz izmaiņas enerģijas patēriņā atkarībā no procesoru slodzes. Tas ļauj optimizēt to enerģijas patēriņu. Starp citu, to paredz arī enerģijas taupīšanas standarti, ko atbalsta noteiktas funkcijas, kas iebūvētas mūsdienu datoru aparatūrā un programmatūrā. Normālos apstākļos procesora darbības un tā enerģijas patēriņa optimizēšana labvēlīgi ietekmē gan paša procesora termisko režīmu, gan kopējo termisko līdzsvaru. Tomēr jāņem vērā, ka režīmi ar periodiskām enerģijas patēriņa izmaiņām var nebūt saderīgi ar dzesēšanas līdzekļiem procesoriem, kas izmanto Peltjē moduļus. Tas ir saistīts ar faktu, ka esošie Peltier ledusskapji parasti ir paredzēti nepārtrauktai darbībai. Šajā sakarā vienkāršākos Peltier ledusskapjus, kuriem nav vadības līdzekļu, nav ieteicams lietot kopā ar dzesēšanas programmām, piemēram, CpuIdle, kā arī ar Windows NT/2000 vai Linux operētājsistēmām.

Ja procesors pārslēdzas uz samazināta enerģijas patēriņa un attiecīgi siltuma izkliedes režīmu, ir iespējama ievērojama procesora korpusa un kristāla temperatūras pazemināšanās. Procesora kodola pārmērīga dzesēšana dažos gadījumos var izraisīt īslaicīgu tā darbības pārtraukšanu un līdz ar to datora pastāvīgu iesaldēšanu. Jāatgādina, ka saskaņā ar Intel dokumentāciju minimālā temperatūra, pie kuras tiek garantēta pareiza sērijveida Pentium II un Pentium III procesoru darbība, parasti ir +5 °C, lai gan, kā liecina prakse, tie labi darbojas arī zemākā temperatūrā.

Dažas problēmas var rasties arī vairāku iebūvēto funkciju darbības rezultātā, piemēram, to, kas kontrolē dzesētāja ventilatorus. Jo īpaši procesora jaudas pārvaldības režīmi dažās datorsistēmās ietver dzesēšanas ventilatoru ātruma maiņu, izmantojot mātesplatē iebūvēto aparatūru. Normālos apstākļos tas ievērojami uzlabo datora procesora termisko veiktspēju. Tomēr, izmantojot vienkāršākos Peltier ledusskapjus, griešanās ātruma samazināšanās var izraisīt termiskā režīma pasliktināšanos, kas procesoram var izraisīt letālu iznākumu, jo tā pārkarst, ko veic darba Peltier modulis, kas papildus tam siltumsūkņa funkcijas, ir spēcīgs papildu siltuma avots.

Jāpiebilst, ka, tāpat kā datoru centrālo procesoru gadījumā, arī Peltier ledusskapji var būt laba alternatīva tradicionālajiem video mikroshēmojuma dzesēšanas līdzekļiem, ko izmanto mūsdienu augstas veiktspējas video adapteros. Šādu video mikroshēmu darbību pavada ievērojama siltuma ģenerēšana, un parasti tās nav pakļautas pēkšņām to darbības režīmu izmaiņām.

Lai novērstu problēmas ar mainīgiem enerģijas patēriņa režīmiem, kas izraisa mitruma kondensāciju no gaisa un iespējamu hipotermiju un dažos gadījumos pat aizsargāto elementu, piemēram, datora procesoru, pārkaršanu, jums vajadzētu izvairīties no šādu režīmu un vairāku iebūvēto funkciju izmantošanas. Tomēr kā alternatīvu var izmantot dzesēšanas sistēmas, kas nodrošina inteliģentas vadības ierīces Peltier ledusskapjiem. Šādi instrumenti var kontrolēt ne tikai ventilatoru darbību, bet arī mainīt pašu termoelektrisko moduļu darbības režīmus, ko izmanto kā daļu no aktīvajiem dzesētājiem.

Ir saņemti ziņojumi par eksperimentiem ar miniatūru Peltjē moduļu iegulšanu tieši procesora mikroshēmās, lai atdzesētu to vissvarīgākās struktūras. Šis risinājums veicina labāku dzesēšanu, samazinot termisko pretestību un var ievērojami palielināt procesoru darbības frekvenci un veiktspēju.

Daudzās pētniecības laboratorijās tiek strādāts pie sistēmu uzlabošanas optimālu temperatūras apstākļu nodrošināšanai elektroniskajiem elementiem. Un dzesēšanas sistēmas, kurās izmanto Peltier termoelektriskos moduļus, tiek uzskatītas par ļoti daudzsološām.

Peltier ledusskapju piemēri

Salīdzinoši nesen datoru tirgū parādījās vietēji ražoti Peltier moduļi. Tās ir vienkāršas, uzticamas un salīdzinoši lētas (7–15 USD) ierīces. Parasti dzesēšanas ventilators nav iekļauts. Tomēr šādi moduļi ļauj ne tikai iepazīties ar daudzsološajiem dzesēšanas līdzekļiem, bet arī izmantot tos paredzētajam mērķim datoru komponentu aizsardzības sistēmās. Šeit ir īsi viena parauga parametri.

Moduļa izmērs (7. att.) - 40x40 mm, maksimālā strāva - 6 A, maksimālais spriegums - 15 V, strāvas patēriņš - līdz 85 W, temperatūras starpība - vairāk nekā 60 °C. Nodrošinot jaudīgu ventilatoru, modulis spēj aizsargāt procesoru ar jaudas izkliedi līdz 40 W.

Rīsi. 7. Ledusskapja PAP2X3B izskats

Tirgū ir gan mazāk, gan jaudīgākas vietējo Peltier moduļu versijas.

Ārzemju ierīču klāsts ir daudz plašāks. Zemāk ir ledusskapju piemēri, kuru konstrukcijā tiek izmantoti Peltier termoelektriskie moduļi.

Active Peltier ledusskapji no Computernerd

Ledusskapis PAX56B ir paredzēts Intel, Cyrix un AMD Pentium un Pentium-MMX procesoru dzesēšanai, kas darbojas frekvencēs līdz 200 MHz. Termoelektriskais modulis, kura izmēri ir 30x30 mm, ļauj ledusskapī uzturēt procesora temperatūru zem 63 °C ar 25 W jaudas izkliedi un 25 °C ārējo temperatūru. Sakarā ar to, ka lielākā daļa procesoru izkliedē mazāk enerģijas, šis dzesētājs ļauj uzturēt procesora temperatūru daudz zemāku nekā daudzi alternatīvie dzesētāji, kuru pamatā ir radiatori un ventilatori. PAX56B ledusskapja Peltier modulis tiek darbināts no 5 V avota, kas spēj nodrošināt maksimumu 1,5 A. Šī ledusskapja ventilatoram ir nepieciešams 12 V spriegums un 0,1 A strāva (maksimums). PAX56B ledusskapja ventilatora parametri: lodīšu gultnis, 47,5 mm, 65000 stundas, 26 dB. Šī ledusskapja kopējais izmērs ir 25x25x28,7 mm. Paredzamā PAX56B ledusskapja cena ir 35 USD. Norādītā cena norādīta saskaņā ar uzņēmuma cenrādi par 2000.gada vidu.

PA6EXB ledusskapis ir paredzēts, lai atdzesētu jaudīgākus Pentium-MMX procesorus, kas izkliedē jaudu līdz 40 W. Šis ledusskapis ir piemērots visiem procesoriem no Intel, Cyrix un AMD, kas savienoti caur Socket 5 vai Socket 7. Peltier termoelektriskā moduļa, kas iekļauts PA6EXB ledusskapī, izmērs ir 40x40 mm un tas patērē maksimālo strāvu 8 A (parasti 3 A) pie 5 B sprieguma ar savienojumu, izmantojot standarta datora strāvas savienotāju. PA6EXB ledusskapja kopējais izmērs ir 60x60x52,5 mm. Uzstādot šo ledusskapi, lai nodrošinātu labu siltuma apmaiņu starp radiatoru un vidi, ap ledusskapi ir jānodrošina vismaz 10 mm augšpusē un 2,5 mm brīva telpa sānos. PA6EXB ledusskapis nodrošina procesora temperatūru 62,7 °C ar jaudas izkliedi 40 W un ārējo temperatūru 45 °C. Ņemot vērā šajā ledusskapī iekļautā termoelektriskā moduļa darbības principu, lai izvairītos no mitruma kondensācijas un īssavienojumiem, ir jāizvairās no tādu programmu izmantošanas, kas procesoru ilgstoši ieslēdz miega režīmā. Aptuvenā šāda ledusskapja cena ir 65 USD. Norādītā cena norādīta saskaņā ar uzņēmuma cenrādi par 2000.gada vidu.

DT-P54A ledusskapis (pazīstams arī kā Computernerd's PA5B) ir paredzēts Pentium procesoriem. Tomēr daži uzņēmumi, kas piedāvā tirgū šos ledusskapjus, to iesaka arī Cyrix/IBM 6x86 un AMD K6 lietotājiem. Ledusskapī iekļautais radiators ir diezgan mazs. Tās izmēri ir 29x29 mm. Ledusskapim ir iebūvēts temperatūras sensors, kas nepieciešamības gadījumā paziņos par pārkaršanu. Tas arī kontrolē Peltjē elementu. Komplektā ietilpst ārēja uzraudzības ierīce. Tas veic sprieguma un paša Peltier elementa darbības, ventilatora darbības, kā arī procesora temperatūras uzraudzības funkcijas. Ierīce ģenerēs trauksmi, ja Peltjē elements vai ventilators sabojājas, ja ventilators griežas ar ātrumu, kas mazāks par 70% no nepieciešamā ātruma (4500 apgr./min) vai ja procesora temperatūra paaugstinās virs 145 °F (63 °C). Ja procesora temperatūra paaugstinās virs 100°F (38°C), Peltjē elements tiek automātiski ieslēgts, pretējā gadījumā tas ir izslēgšanas režīmā. Pēdējā funkcija novērš problēmas, kas saistītas ar mitruma kondensāciju. Diemžēl pats elements ir tik cieši pielīmēts pie radiatora, ka to nav iespējams atdalīt, nesabojājot tā struktūru. Tas padara neiespējamu to uzstādīt uz cita, jaudīgāka radiatora. Kas attiecas uz ventilatoru, tā konstrukciju raksturo augsts uzticamības līmenis un tam ir augsti parametri: barošanas spriegums - 12 V, griešanās ātrums - 4500 RPM, gaisa padeves ātrums - 6,0 CFM, enerģijas patēriņš - 1 W, trokšņa raksturlielumi - 30 dB. Šis ledusskapis ir diezgan efektīvs un noderīgs overclocking. Tomēr dažos procesora pārspīlēšanas gadījumos jums vienkārši vajadzētu izmantot lielu radiatoru un labu dzesētāju. Šī ledusskapja cena ir no 39 līdz 49 USD. Norādītā cena norādīta saskaņā ar vairāku uzņēmumu cenrādi uz 2000.gada vidu.

AC-P2 ledusskapis ir paredzēts Pentium II procesoriem. Komplektā ietilpst 60 mm dzesētājs, radiators un 40 mm Peltjē elements. Nav piemērots Pentium II procesoriem 400 MHz un vairāk, jo SRAM atmiņas mikroshēmas praktiski netiek atdzesētas. Paredzamā cena 2000. gada vidum ir 59 USD.

Ledusskapis PAP2X3B (8. att.) ir līdzīgs AOC AC-P2. Tam pievienoti divi 60 mm dzesētāji. Problēmas ar SRAM atmiņas dzesēšanu joprojām nav atrisinātas. Ir vērts atzīmēt, ka ledusskapi nav ieteicams lietot kopā ar dzesēšanas programmām, piemēram, CpuIdle, kā arī operētājsistēmās Windows NT vai Linux, jo ir iespējama mitruma kondensācija uz procesora. Paredzamā cena 2000. gada vidum ir 79 USD.

Rīsi. 8. Ledusskapja PAP2X3B izskats

STEP-UP-53X2 ledusskapis ir aprīkots ar diviem ventilatoriem, kas sūknē lielu gaisa daudzumu caur radiatoru. Paredzamā cena 2000. gada vidum: 79 USD (Pentium II), 69 USD (Celeron).

Bcool sērijas ledusskapji no Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) ir paredzēti Pentium II un Celeron procesoriem, un tiem ir līdzīgas īpašības. nākamajā tabulā.

BCool sērijas ledusskapji

Jāpiebilst, ka BCool ledusskapju grupā būs arī ierīces, kurām ir līdzīgi raksturlielumi, bet nav Peltjē elementu. Šādi ledusskapji, protams, ir lētāki, bet arī mazāk efektīvi kā datora komponentu dzesēšanas līdzeklis.

Sagatavojot šo rakstu, tika izmantoti materiāli no grāmatas “PC: iestatījumi, optimizācija un pārspīlēšana”. 2. izdevums, pārskatīts. un papildu, - Sanktpēterburga: BHV - Petersburg. 2000. - 336 lpp.

Peltjē moduli var izmantot 4 dažādās shēmās: kā sildelementu (inkubatoros...), kā dzesēšanas elementu (ledusskapjos...), elektroenerģijas ražošanai (ģeneratoru...), kā arī izmantojot Peltjē elements, ar kuru jūs varat radīt ūdeni. Par to būs mans raksts.

Peltjē elements ir termoelektrisks pārveidotājs, kura darbības principa pamatā ir Peltjē efekts – temperatūras starpības rašanās, plūstot elektriskajai strāvai. Angļu valodas literatūrā Peltjē elementi ir apzīmēti ar TEC (no angļu valodas Thermoelectric Cooler - termoelektriskais dzesētājs).

Peltjē efekta pretējo efektu sauc par Zēbeka efektu.

Darbības princips

Peltjē elementu darbība balstās uz divu vadošu materiālu saskari ar dažādu elektronu enerģijas līmeni vadītspējas joslā. Kad strāva plūst caur šādu materiālu kontaktu, elektronam jāiegūst enerģija, lai pārietu uz cita pusvadītāja augstākas enerģijas vadīšanas joslu. Kad šī enerģija tiek absorbēta, kontaktpunkts starp pusvadītājiem atdziest. Kad strāva plūst pretējā virzienā, papildus parastajam termiskajam efektam uzsilst kontaktpunkts starp pusvadītājiem.

Saskaroties metāliem, Peltjē efekts ir tik mazs, ka tas nav pamanāms uz omiskās sildīšanas un siltumvadītspējas parādību fona. Tāpēc praktiskos pielietojumos tiek izmantots kontakts starp diviem pusvadītājiem.

Peltjē elements sastāv no viena vai vairākiem mazu pusvadītāju paralēlskaldņu pāriem – viena n tipa un viena p veida pārī (parasti bismuta telūrīds, Bi2Te3 un silīcija germanīds), kas savienoti pa pāriem, izmantojot metāla tiltiņus. Metāla džemperi vienlaikus kalpo kā termokontakti un ir izolēti ar nevadošu plēvi vai keramikas plāksni. Paralēlskaldņu pārus savieno tā, ka veidojas daudzu pusvadītāju pāru virknes savienojums ar dažāda veida vadītspēju tā, ka augšā ir viena savienojumu secība (n->p), bet apakšā pretī ( p->n). Elektriskā strāva secīgi plūst cauri visiem paralēlskaldņiem. Atkarībā no strāvas virziena augšējie kontakti tiek atdzesēti, bet apakšējie tiek apsildīti - vai otrādi. Tādējādi elektriskā strāva pārnes siltumu no vienas Peltjē elementa puses uz pretējo un rada temperatūras starpību.

Ja jūs atdzesējat Peltjē elementa sildīšanas pusi, piemēram, izmantojot radiatoru un ventilatoru, tad aukstās puses temperatūra kļūst vēl zemāka. Vienpakāpes elementos atkarībā no elementa veida un strāvas vērtības temperatūras starpība var sasniegt aptuveni 70 °C.

Priekšrocības un trūkumi

Peltjē elementa priekšrocība ir tā mazais izmērs, kustīgu detaļu trūkums, kā arī gāzes un šķidrumi. Apgriežot strāvas virzienu, ir iespējama gan dzesēšana, gan sildīšana – tas ļauj termostatēt apkārtējās vides temperatūrā gan virs, gan zem termostata temperatūras. Vēl viena priekšrocība ir mehānisko detaļu trūkums un trokšņa trūkums.

Peltjē elementa trūkums ir tā zemākā efektivitāte nekā kompresoru saldēšanas iekārtām, kurās izmanto freonu, kas rada lielu enerģijas patēriņu, lai panāktu ievērojamu temperatūras starpību. Neskatoties uz to, notiek attīstība siltumefektivitātes paaugstināšanai, un Peltjē elementi ir atraduši plašu pielietojumu tehnoloģijā, jo temperatūru zem 0 °C var sasniegt bez papildu ierīcēm.

Galvenā problēma, konstruējot Peltjē elementus ar augstu efektivitāti, ir tā, ka vielā esošie brīvie elektroni vienlaikus ir gan elektriskās strāvas, gan siltuma nesēji. Peltjē elementa materiālam vienlaikus ir jābūt divām savstarpēji izslēdzošām īpašībām - tas labi vada elektrisko strāvu, bet slikti vada siltumu.

Peltjē elementu akumulatoros iespējams sasniegt teorētiski ļoti lielu temperatūras starpību, vairāk nekā 70 grādus pēc Celsija, tādēļ labāk izmantot impulsu temperatūras regulēšanas metodi, pateicoties kurai var samazināt arī enerģijas patēriņu. Šajā gadījumā ir vēlams izlīdzināt strāvas viļņus, lai pagarinātu Peltjē elementa kalpošanas laiku.

Termoelektriskā moduļa pielietojums: ūdens dzesētājos, dzesēšanas sistēmās datoriem vai dažādu maza izmēra ierīču mikroshēmām, elektriskajos termoģeneratoros, video karšu dzesēšanā, ziemeļu vai dienvidu tiltos, auto ledusskapjos, gaisa dzesētājos, Arduino, CCD matricu un infrasarkano fotodetektoru dzesēšanai, in elektriskie termoģeneratori, termostatos, zinātniskās laboratorijas instrumentos, termokalibratori, termostabilizatori. Kopumā, ja nepieciešams sasniegt temperatūras atšķirības, kas pārsniedz 60 grādus.

Peltjē plākšņu izmēri un patēriņa raksturlielumi

Peltjē plākšņu izmēri un patēriņa raksturlielumi (elektroenerģijas patēriņš, spriegums, strāva, maksimālā temperatūras starpība). Šo termoelektrisko ģeneratoru marķējumi dažādās vietās var atšķirties, tas viss ir atkarīgs no ražotāja (piemēram: TEG1-241-1,4-1,2; CP1,4-127-06L iekšzemes; TB-127-1,4-1,5 Frost-72 SP1848-27145; Seebeck termoģenerators TEP1-142T300). Savukārt raksturlielumi īpaši neatšķirsies, taču daži rādītāji būtiski neatšķiras.

DIY USB ledusskapis (Peltier modulis)

Lai izveidotu savu mini ledusskapi, mums ir jāatrod vai jāiegādājas Peltier elements (kas tas ir un kā tas darbojas zemāk) un divi radiatori.

Tas pats Peltjē elements, es to izrāvu no saplīsušā datora, tas tur stāvēja starp procesoru un dzesētāju. Es notīrīju no tā veco termopastu. Īsāk sakot, šis Peltjē elements, kad tam tiek piegādāts līdzstrāva, sāk darboties šādi: viena tā puse sāk uzkarst, bet otra sāk atdzist; ja maināt barošanas avota polaritāti, malas elementa izturēsies pretēji!

Tālāk es paņēmu divus masīvus radiatorus no nevajadzīga pastiprinātāja. Pēc tam elementu ieeļļoju ar jaunu termopastu, ko iegādājos radio veikalā, un iespiedu Peltjē elementu starp radiatoriem. Termiskās pastas lietošana šajā gadījumā ir obligāta!
Es pievienoju vadus elementam no USB kabeļa un pievienoju datoram - viens radiators sāka uzkarst, bet otrs sāka atdzist! Tātad, viss ir kārtībā!

Materiāls, ko izmantoju ledusskapja līmēšanai, ir līdzīgs presētām putām vai porainai plastmasai. Kopumā materiāls var būt jebkas, tā galvenā kvalitāte ir siltumizolācija.
Stikls ir organisks un izskatās diezgan trausls, bet patiesībā materiāls ir izturīgs.
Līme - superlīme.

Tad ērtības labad uztaisīju magnētisko aizdari.
Sanāca labi – minerālūdens pudele tur varēja viegli ietilpt.

Ģenerators - elektroenerģijas ražošana, izmantojot Peltjē elementu

Šī ģeneratora priekšrocības:

— Degviela ir jebkas, kas deg vai uzkarst.
- USB izeja 5 volti, 500 mA.
— Nav atkarīgs no saules, vēja utt.
- Vienkāršs un spēcīgs dizains, kas var kalpot mūžīgi.
— Varat tajā gatavot ēdienu, kamēr tālrunis tiek uzlādēts.
- Daudzpusība.
— Ikviens to var samontēt mājās 1 vakarā (pat AvtoVAZ darbinieks =)).
- Lēts dizains.

Es to neizgudroju, ir komerciālas kopijas, kas ir daudz labākas nekā manējā. Piemēram, BioLite CampStove, tā cena ir 7900 rubļu. Mana kopija tapa steigā šī raksta rakstīšanai un turpmākajiem eksperimentiem.

Pamats ir Peltjē elements. Šis ir termoelektrisks modulis, ko izmanto ūdens dzesētājos un pārnēsājamos ledusskapjos, un to izmanto arī procesora dzesēšanai. Kad tam tiek pievienots spriegums, viena puse atdziest, bet otra uzsilst. Gluži pretēji, mēs sildīsim vienu pusi, lai ražotu elektroenerģiju.

Galvenais princips ir tāds, ka viena puse uzsilst, bet otra paliek nemainīga, maksimālai efektivitātei nepieciešama temperatūras starpība 100 grādi pēc Celsija.

Sāksim!


Mums būs nepieciešams:
— Peltjē elements, izmantoju TEC1-12710
- Nevajadzīga strāvas padeve no datora
Jebkurš, pat tas, kurš nodega, un viss izdega, izņemot ķermeni
- Sprieguma regulators
DC-DC pastiprināšanas modulis, ieejas spriegums 1-5 volti, izeja vienmēr 5V.
— Radiators (jo lielāks, jo labāk), vēlams ar 5V dzesētāju, jo Radiators pakāpeniski uzsilst. Ziemā tā nav problēma, jo jūs varat novietot radiatoru uz ledus.
— Termiskā pasta
- Instrumentu komplekts

TEC1-12710 modulis, nominālā 10 A (mazāk vai vairāk). Bet jaudīgākie būs lielāki. Jo lielāka strāva, jo efektīvāka un dārgāka tā ir. Es to nopirku no Aliexpress par aptuveni 250 rubļiem. Mūsu elektronikas veikalos tas maksā apmēram 1500 rubļu.

Modulis ir paredzēts maksimālajam spriegumam 12V, bet tas neizdod tik daudz zemās efektivitātes dēļ, kad mēs to izmantojam pretējā virzienā, t.i. lai saņemtu strāvu.

Lai būtu stabils 5 voltu spriegums un ierīces varētu droši uzlādēt, ir nepieciešams paaugstinošs stabilizators. Tas sāk ražot 5 voltus, kad uz Peltier elementa joprojām ir tikai 1 volts. Jūs varat zināt, ka viss ir gatavs uzlādei, ja modulī iedegas LED.


Jūs varat salikt pats, bet es nolēmu uzticēties ķīniešiem, viņi piedāvā gatavu moduli ar USB izeju par 80 rubļiem. tajā pašā vietnē.

Izņemsim savu barošanas avotu. Nācās izveidot papildu caurumus labākai gaisa cirkulācijai (barošanas avots bija ļoti vecs).

Galvenais princips ir tāds, ka gaiss tiek iesūkts no apakšas un izplūst caur augšpusi. Vienkārši sakot, jums ir jāizveido parasta plīts. Ja nepieciešams, neaizmirstiet nodrošināt caurumu skaidu mešanai un statīvu katlam vai krūzei ūdens vārīšanai.


Pēc tam Peltier modulis ar radiatoru jāpiestiprina pie līdzenas sienas, vispirms vienmērīgi uzklājot termopastu. Jo ciešāks kontakts, jo labāk. Tā puse, kurā ir rakstīts modelis, ir auksta, tieši uz šo pusi mēs pieliekam radiatoru. Ja to sajaucat, modulis neizvadīs spriegumu; šajā gadījumā jums vienkārši jāmaina vadi.


Lodējam pastiprināšanas pārveidotāju un atrodam, kur to paslēpt. Parasti to var atstāt karājoties pie vadiem, bet noteikti ir nepieciešams izolēt, piemēram, uzlikt siltuma saraušanās līdzekli.

Saliksim visu kopā. Tas ir tas, ko jums vajadzētu iegūt:

Kā tas strādā?

Mēs metam zarus, skaidas, vispār visu, kas deg iekšā. Tad mēs to iedegam. Uguns sasilda plīts sienas un Peltjē elementu, kas atrodas uz vienas no šīm sienām. Otra elementa puse, kas atrodas uz radiatora, paliek ārējā temperatūrā. Jo lielāka temperatūras starpība, jo lielāka jauda, ​​taču nepārcentieties.

Maksimālā efektivitāte tiek sasniegta jau ar 100 grādu starpību. Laika gaitā radiators sāk uzkarst, un tas būs jāatdzesē. Var mest sniegu, uzliet tam ūdeni, novietot radiatoru uz ledus vai ūdenī, vai uzlikt krūzi ar aukstu ūdeni. Variantu ir daudz, vienkāršākais ir dzesētājs, tas atņems daļu jaudas, bet dzesēšanas dēļ kopējais rezultāts nemainīsies.


Nepakļaujiet elementu augstas temperatūras iedarbībai, tas var izdegt un izdegt. Dokumentācijā norādīta maksimālā temperatūra 180 °C, taču nav lieki uztraukties, ar labu dzesēšanu un ar vienkāršu malku nekas nenotiks.

Ja nebūsi slinks un visu darīsi pareizi, iegūsi tik vienkāršu malkas šķeldotāju, uz kura vienlaikus varēsi sildīt ēdienu, vārīt, ūdeni un uzlādēt savus gadžetus.

To var izmantot mājās, ja ir strāvas padeves pārtraukums, ievietojot iekšā sveci. Starp citu, pieslēdzot tai gaismas diodes, gaisma būs daudz spilgtāka nekā no pašas sveces.

Jebkurā vietā, kur varēsiet atrast kaut ko degošu, jums būs elektrība, siltums un iespēja ērti pagatavot ēdienu, izmantojot mazāk degvielas, salīdzinot ar uguni.

Pirmie pārbaudījumi!

Pēc darba iegāju mežā, saule jau gandrīz norietējusi, krūms slapjš, bet plīts atmaksājās 100%.

Rezultāts pārsniedza visas manas cerības. Uzreiz pēc šķeldas sadegšanas iedegās indikators, pieslēdzu telefonu un tas sāka uzlādēties. Uzlāde bija stabila.

Pārveidotājs nemaz nenosprāga. Paņēmu līdzi arī klēpjdatora dzesēšanas paliktni, tam ir 2 dzesētāji un gaismas diodes, vajadzētu patērēt pieklājīgi. Savienoju, viss griežas, spīd, un vējiņš pūš. Paņēmu arī USB ventilatoru un pieslēdzu beigās, kad bija palikušas tikai ogles. Viss griežas lieliski, es pat nezinu, ko vēl izmēģināt.

Rezultāts:

Viss strādā lieliski, izdod savu dzimumu Ampere. Tomēr jums ir nepieciešams dzesētājs, jo... pusstundas laikā radiators uzkarsa līdz kādiem 40 grādiem, vasarā būs vēl vairāk. Ļaujiet sev griezties.

Liesmas šauj augstu, man personīgi tādu uguni nevajag, aizsegšu dažas bedres, lai deg lēnāk.

Visu darīšu pa jaunam, par pamatu ņemšu standarta malkas šķeldotāju, kas ir no skārda bundžām, bet taisīšu no biezāka metāla un taisnstūra formas. Nopirkšu labu radiatoru ar piemērotas formas dzesētāju un mēģināšu uztaisīt saliekamu variantu, lai nēsājot aizņem mazāk vietas.

Dzeramā ūdens ražošana, izmantojot Peltjē moduli

Saldēšanas iekārtas mūsu dzīvē ir kļuvušas tik stingri iesakņojušās, ka pat grūti iedomāties, kā mēs varētu bez tā iztikt. Bet klasiskās aukstumaģenta konstrukcijas nav piemērotas mobilai lietošanai, piemēram, kā ceļojuma aukstuma soma.

Šim nolūkam tiek izmantotas iekārtas, kuru darbības princips ir balstīts uz Peltjē efektu. Īsi parunāsim par šo fenomenu.

Kas tas ir?

Šis termins attiecas uz termoelektrisku parādību, ko 1834. gadā atklāja franču dabaszinātnieks Žans Šarls Peltjē. Iedarbības būtība ir siltuma izdalīšanās vai absorbcija zonā, kur saskaras dažādi vadītāji, caur kuriem iet elektriskā strāva.

Saskaņā ar klasisko teoriju fenomenam ir šāds skaidrojums: elektriskā strāva pārnes elektronus starp metāliem, kas var paātrināt vai palēnināt to kustību atkarībā no kontakta potenciālu starpības dažādu materiālu vadītājos. Attiecīgi, palielinoties kinētiskajai enerģijai, tā tiek pārvērsta siltumenerģijā.

Otrajā vadītājā tiek novērots apgriezts process, kas prasa enerģijas papildināšanu saskaņā ar fizikas pamatlikumu. Tas notiek termiskās vibrācijas dēļ, kas izraisa metāla, no kura izgatavots otrais vadītājs, dzesēšanu.

Mūsdienu tehnoloģijas dod iespēju ražot pusvadītāju elementus-moduļus ar maksimālu termoelektrisko efektu. Ir jēga īsi runāt par to dizainu.

Dizains un darbības princips

Mūsdienu moduļi ir konstrukcija, kas sastāv no divām izolācijas plāksnēm (parasti keramikas), starp kurām atrodas sērijveidā savienoti termopāri. Šāda elementa vienkāršotu diagrammu var atrast zemāk esošajā attēlā.

Apzīmējumi:

• A – kontakti pieslēgšanai strāvas avotam;
• B – elementa karstā virsma;
• C – aukstā puse;
• D – vara vadītāji;
• E – pusvadītājs, kura pamatā ir p-pāreja;
• F – n-veida pusvadītājs.

Konstrukcija ir veidota tā, lai katra moduļa puse saskartos vai nu ar p-n vai n-p krustojumiem (atkarībā no polaritātes). P-n kontakti tiek apsildīti, n-p kontakti tiek atdzesēti (sk. 3. att.). Attiecīgi elementa sānos rodas temperatūras starpība (DT). Novērotājam šis efekts izskatīsies kā siltumenerģijas pārnešana starp moduļa malām. Jāatzīmē, ka jaudas polaritātes maiņa izraisa karstu un aukstu virsmu izmaiņas.

Specifikācijas

Termoelektrisko moduļu īpašības raksturo šādi parametri:

• dzesēšanas jauda (Q max), šo raksturlielumu nosaka, pamatojoties uz maksimālo pieļaujamo strāvu un temperatūras starpību starp moduļa malām, mērot vatos;
• maksimālā temperatūras starpība starp elementa malām (DT max), parametrs dots ideāliem apstākļiem, mērvienība ir grādi;
• pieļaujamā strāva, kas nepieciešama maksimālās temperatūras starpības nodrošināšanai – I max;
• maksimālais spriegums U max, kas nepieciešams strāvai I max, lai sasniegtu maksimālo starpību DT max;
• moduļa iekšējā pretestība – Pretestība, norādīta omi;
• efektivitātes koeficients - COP (saīsinājums no angļu valodas - veiktspējas koeficients), būtībā tā ir ierīces efektivitāte, kas parāda dzesēšanas un elektroenerģijas patēriņa attiecību. Lētiem elementiem šis parametrs ir diapazonā no 0,3 līdz 0,35, dārgākiem modeļiem tas tuvojas 0,5.

Marķēšana

Apskatīsim, kā tiek atšifrēti tipiskie moduļu marķējumi, izmantojot 4. attēla piemēru.

Marķējums ir sadalīts trīs nozīmīgās grupās:

1. Elementa apzīmējums. Pirmie divi burti vienmēr ir nemainīgi (TE), kas norāda, ka šis ir termoelements. Nākamais norāda izmēru, var būt burti “C” (standarta) un “S” (mazi). Pēdējais cipars norāda, cik slāņu (kaskāžu) ir elementā.
2. Fotoattēlā redzamajā modulī termopāru skaits ir 127.
3. Nominālā strāva ir ampēros, mums tā ir 6 A.

Citu TEC1 sērijas modeļu marķējumi tiek nolasīti tādā pašā veidā, piemēram: 12703, 12705, 12710 utt.

Pieteikums

Neskatoties uz diezgan zemo efektivitāti, termoelektriskie elementi tiek plaši izmantoti mērīšanas, skaitļošanas un sadzīves tehnikas iekārtās. Moduļi ir svarīgs šādu ierīču darbības elements:

• mobilās saldēšanas iekārtas;
• mazie ģeneratori elektroenerģijas ražošanai;
• Dzesēšanas sistēmas personālajos datoros;
• dzesētāji ūdens dzesēšanai un sildīšanai;
• gaisa sausinātāji utt.

Sniegsim detalizētus termoelektrisko moduļu izmantošanas piemērus.

Ledusskapis, izmantojot Peltjē elementus

Termoelektrisko saldēšanas iekārtu veiktspēja ir ievērojami zemāka par kompresoru un absorbcijas analogiem. Bet tiem ir ievērojamas priekšrocības, kas padara to lietošanu ieteicamu noteiktos apstākļos. Šīs priekšrocības ietver:

• dizaina vienkāršība;
• vibrācijas pretestība;
• kustīgu elementu trūkums (izņemot ventilatoru, kas pūš radiatoru);
• zems trokšņa līmenis;
• mazi izmēri;
• spēja strādāt jebkurā amatā;
• ilgs kalpošanas laiks;
• zems enerģijas patēriņš.

Šīs īpašības ir ideāli piemērotas mobilajām instalācijām.

Peltjē elements kā elektroenerģijas ģenerators

Termoelektriskie moduļi var darboties kā elektroenerģijas ģeneratori, ja viena no to pusēm tiek pakļauta piespiedu karsēšanai. Jo lielāka temperatūras starpība starp malām, jo ​​lielāka ir avota radītā strāva. Diemžēl siltuma ģeneratora maksimālā temperatūra ir ierobežota, tā nevar būt augstāka par modulī izmantotā lodmetāla kušanas temperatūru. Šī nosacījuma pārkāpums novedīs pie elementa kļūmes.

Siltuma ģeneratoru masveida ražošanai tiek izmantoti speciāli moduļi ar ugunsizturīgo lodēšanu, tos var uzsildīt līdz 300°C temperatūrai. Parastos elementos, piemēram, TEC1 12715, ierobežojums ir 150 grādi.

Tā kā šādu ierīču efektivitāte ir zema, tās tiek izmantotas tikai gadījumos, kad nav iespējams izmantot efektīvāku elektroenerģijas avotu. Tomēr 5-10 W siltuma ģeneratori ir pieprasīti tūristu, ģeologu un attālu reģionu iedzīvotāju vidū. Lielas un jaudīgas stacionāras iekārtas, kuras darbina ar augstas temperatūras degvielu, tiek izmantotas, lai darbinātu gāzes sadales blokus, meteoroloģisko staciju iekārtas utt.

Lai atdzesētu procesoru

Salīdzinoši nesen šos moduļus sāka izmantot personālo datoru CPU dzesēšanas sistēmās. Ņemot vērā termoelementu zemo efektivitāti, šādu konstrukciju priekšrocības ir diezgan apšaubāmas. Piemēram, lai atdzesētu siltuma avotu ar jaudu 100-170 W (atbilst lielākajai daļai mūsdienu CPU modeļu), jums būs jātērē 400-680 W, kas prasa jaudīgas barošanas avota uzstādīšanu.

Otrs trūkums ir tāds, ka nenoslogots procesors izdalīs mazāk siltumenerģijas, un modulis var to atdzesēt zem rasas punkta. Rezultātā sāks veidoties kondensāts, kas garantēti sabojās elektroniku.

Tiem, kuri nolemj izveidot šādu sistēmu paši, būs jāveic virkne aprēķinu, lai izvēlētos moduļa jaudu konkrētam procesora modelim.

Pamatojoties uz iepriekš minēto, šo moduļu izmantošana kā CPU dzesēšanas sistēma nav rentabla, turklāt tie var izraisīt datortehnikas kļūmes.

Pavisam cita situācija ir ar hibrīdierīcēm, kur siltuma moduļus izmanto kopā ar ūdens vai gaisa dzesēšanu.

Hibrīdās dzesēšanas sistēmas ir pierādījušas savu efektivitāti, taču augstās izmaksas ierobežo to cienītāju loku.

Gaisa kondicionieris uz Peltjē elementiem

Teorētiski šāda ierīce konstruktīvi būs daudz vienkāršāka nekā klasiskās klimata kontroles sistēmas, taču tas viss ir saistīts ar zemu veiktspēju. Viena lieta ir atdzesēt nelielu ledusskapja tilpumu, cita lieta ir atdzesēt telpu vai automašīnas salonu. Gaisa kondicionētāji, kas izmanto termoelektriskos moduļus, patērēs vairāk elektroenerģijas (3-4 reizes) nekā iekārtas, kas darbojas ar aukstumaģentu.

Runājot par tā izmantošanu kā automašīnas klimata kontroles sistēmu, standarta ģeneratora jauda nebūs pietiekama, lai darbinātu šādu ierīci. Tā aizstāšana ar efektīvāku aprīkojumu radīs ievērojamu degvielas patēriņu, kas nav ekonomiski izdevīgi.

Tematiskajos forumos periodiski rodas diskusijas par šo tēmu un tiek izskatīti dažādi paštaisīti dizaini, taču pilnvērtīgs darba prototips vēl nav izveidots (neskaitot gaisa kondicionieri kāmim). Pilnīgi iespējams, ka situācija mainīsies, kad plaši kļūs pieejami moduļi ar pieņemamāku efektivitāti.

Ūdens dzesēšanai

Termoelektrisko elementu bieži izmanto kā dzesēšanas šķidrumu ūdens dzesētājiem. Konstrukcijā ietilpst: dzesēšanas modulis, termostata kontrolēts regulators un sildītājs. Šī ieviešana ir daudz vienkāršāka un lētāka nekā kompresora ķēde, turklāt tā ir uzticamāka un vieglāk lietojama. Bet ir arī daži trūkumi:

• ūdens neatdziest zem 10-12°C;
• dzesēšana aizņem ilgāku laiku nekā tā kompresora ekvivalents, tāpēc šāds dzesētājs nav piemērots birojam ar lielu darbinieku skaitu;
• ierīce ir jutīga pret ārējo temperatūru, siltā telpā ūdens neatdzisīs līdz minimālajai temperatūrai;
• Nav ieteicams uzstādīt putekļainās telpās, jo ventilators var aizsērēt un dzesēšanas modulis var neizdoties.

Gaisa žāvētājs uz Peltjē elementiem

Atšķirībā no gaisa kondicionētāja, sausinātāja ieviešana, izmantojot termoelektriskos elementus, ir pilnīgi iespējama. Dizains ir diezgan vienkāršs un lēts. Dzesēšanas modulis pazemina radiatora temperatūru zem rasas punkta, kā rezultātā uz tā nosēžas mitrums, kas atrodas caur ierīci ejošā gaisā. Nostādinātais ūdens tiek novadīts speciālā uzglabāšanas tvertnē.

Neskatoties uz zemo efektivitāti, šajā gadījumā ierīces efektivitāte ir diezgan apmierinoša.

Kā pieslēgties?

Ar moduļa pievienošanu nebūs problēmu, izejas vadiem jāpieliek pastāvīgs spriegums, tā vērtība ir norādīta elementa datu lapā. Sarkanajam vadam jābūt savienotam ar pozitīvo, melnajam ar negatīvo. Uzmanību! Mainot polaritāti, tiek mainītas atdzesēto un apsildāmo virsmu pozīcijas.

Kā pārbaudīt Peltjē elementa funkcionalitāti?

Vienkāršākā un uzticamākā metode ir taustes. Ir nepieciešams pieslēgt moduli atbilstošajam sprieguma avotam un pieskarties tā dažādām pusēm. Darba elementam viens no tiem būs siltāks, otrs aukstāks.

Ja jums nav pie rokas piemērota avota, jums būs nepieciešams multimetrs un šķiltavas. Pārbaudes process ir diezgan vienkāršs:

1. savienojiet zondes ar moduļa spailēm;
2. novietojiet iedegto šķiltavu uz vienu no sāniem;
3. Mēs novērojam ierīces rādījumus.

Darba modulī, kad viena no pusēm tiek uzkarsēta, tiek ģenerēta elektriskā strāva, kas tiks parādīta ierīces displejā.

Kā ar savām rokām izgatavot Peltier elementu?

Mājās ir gandrīz neiespējami izgatavot paštaisītu moduli, jo īpaši tāpēc, ka nav jēgas to darīt, ņemot vērā to salīdzinoši zemās izmaksas (apmēram 4–10 USD). Bet var salikt kādu ierīci, kas noderēs pārgājienā, piemēram, termoelektrisko ģeneratoru.

Lai stabilizētu spriegumu, uz L6920 IC mikroshēmas ir jāsamontē vienkāršs pārveidotājs.

Šāda pārveidotāja ieeja tiek piegādāta ar spriegumu diapazonā no 0,8 līdz 5,5 V, un izejā tas radīs stabilu 5 V, kas ir pilnīgi pietiekami, lai uzlādētu lielāko daļu mobilo ierīču. Ja tiek izmantots parasts Peltjē elements, ir nepieciešams ierobežot apsildāmās puses darba temperatūras diapazonu līdz 150 °C. Lai izvairītos no izsekošanas problēmām, kā siltuma avotu labāk izmantot katliņu ar verdošu ūdeni. Šajā gadījumā tiek garantēts, ka elements nesakarst virs 100 °C.

Peltjē elementi ir īpaši termoelektriskie pārveidotāji, kas darbojas pēc Peltjē principa. (temperatūras starpības veidošanās, kad ir pievienota elektriskā strāva, citiem vārdiem sakot, termoelektriskais dzesētājs).

Nav noslēpums, ka elektroniskās ierīces darbības laikā uzkarst. Sildīšana negatīvi ietekmē darba procesu, tāpēc, lai ierīces kaut kā atdzesētu, ierīces korpusā tiek iebūvēti speciāli elementi, kas saukti izgudrotāja no Francijas vārdā - Peltjē. Šis ir maza izmēra elements, kas var atdzesēt radio komponentus uz ierīču paneļiem. Uzstādīšana pats neradīs nekādas problēmas, uzstādīšana ķēdē tiek veikta ar parasto lodāmuru.

1 — Keramikas izolators
2 - n-veida vadītājs
3 - p-veida vadītājs
4 - Vara vadītājs

Agrāk nevienu neinteresēja dzesēšanas problēmas, tāpēc šis izgudrojums palika neizmantots. Divus gadsimtus vēlāk, izmantojot elektroniskās ierīces ikdienā un rūpniecībā, sāka izmantot miniatūrus Peltjē elementus, atgādinot franču izgudrotāja efektu.

Darbības princips

Lai saprastu, kā darbojas elements, kura pamatā ir Peltjē izgudrojums, ir jāsaprot fizikālie procesi. Rezultātā tiek apvienoti divi materiāli ar vadošām īpašībām, kuriem vadītspējas reģionā ir atšķirīga elektronu enerģija. Kad savienojuma zonai ir pievienota elektriskā strāva, elektroni saņem lielu enerģiju, lai pārvietotos uz otrā pusvadītāja augstākas vadītspējas zonu. Kad enerģija tiek absorbēta, vadītāji atdziest. Kad strāva plūst pretējā virzienā, rodas parastais kontakta sildīšanas efekts.

Viss darbs tiek veikts materiāla atomu režģa līmenī. Lai labāk izprastu darbu, iedomāsimies gāzi, kas sastāv no daļiņām – fononiem. Gāzes temperatūra ir atkarīga no parametriem:

• Metāla īpašības.
• Apkārtējās vides temperatūra.

Mēs pieņemam, ka metāls sastāv no elektronu un fononu gāzu maisījuma, kas atrodas termodinamiskā līdzsvarā. Kad saskaras divi dažādu temperatūru metāli, aukstā elektronu gāze pārvietojas siltajā metālā. Tiek radīta potenciāla atšķirība.

Kontakta krustpunktā elektroni absorbē fonona enerģiju un pārnes to uz otru metālu uz fononiem. Mainot strāvas avota polus, viss process tiks apgriezts. Temperatūras starpība palielināsies, līdz būs pieejami brīvie elektroni ar augstu potenciālu. Ja to nav, metālu temperatūra izlīdzināsies.

Ja vienā Peltjē plāksnes pusē uzstādīsiet kvalitatīvu radiatora formu, tad otrā plāksnes puse radīs zemāku temperatūru. Tas būs vairākus desmitus grādu zemāks par apkārtējo gaisu. Jo augstāka ir pašreizējā vērtība, jo spēcīgāka būs dzesēšana. Kad strāvas polaritāte ir apgriezta, aukstā un siltā puse apmainīsies viena ar otru.

Savienojot Peltjē elementu ar metālu, efekts kļūst nenozīmīgs, tāpēc praktiski tiek uzstādīti divi elementi. To skaits var būt jebkurš, tas ir atkarīgs no dzesēšanas jaudas nepieciešamības.

Peltjē efekta efektivitāte ir atkarīga no tā, cik precīzi atlasītas metālu īpašības, caur ierīci plūstošās strāvas stipruma un siltuma noņemšanas ātruma.

Lietošanas joma

Lai praktiski pielietotu Peltjē elementu, zinātnieki veica vairākus eksperimentus, kas parādīja, ka siltuma noņemšanas palielināšana tiek panākta, palielinot divu materiālu savienojumu skaitu. Jo lielāks ir materiālu savienojumu skaits, jo lielāks efekts. Biežāk mūsu dzīvē šāds elements tiek izmantots elektronisko ierīču dzesēšanai un temperatūras samazināšanai mikroshēmās.

Šeit ir daži to lietojumi:

• Nakts redzamības ierīces.
• Digitālās kameras, sakaru ierīces, mikroshēmas, kurām nepieciešama kvalitatīva dzesēšana labākam attēla efektam.
• Dzesējamie teleskopi.
• Gaisa kondicionētāji.
• Precīzas pulksteņa dzesēšanas sistēmas kvarca elektriskajiem oscilatoriem.
• Ledusskapji.
• Ūdens dzesētāji.
• Auto ledusskapji.
• Video kartes.

Peltjē elementus bieži izmanto saldēšanas un gaisa kondicionēšanas sistēmās. Ir iespējams sasniegt diezgan zemas temperatūras, kas paver iespēju izmantot dzesēšanas iekārtām ar paaugstinātu apkuri.

Pašlaik eksperti izmanto Peltjē elementus akustiskajās sistēmās, kas darbojas kā dzesētājs. Peltjē elementi nerada nekādas skaņas, tāpēc trokšņa trūkums ir viena no to priekšrocībām. Šī tehnoloģija ir kļuvusi populāra tās jaudīgās siltuma pārneses dēļ. Elementi, kas izgatavoti, izmantojot modernas tehnoloģijas, ir kompakta izmēra, un dzesēšanas radiatori ilgstoši uztur noteiktu temperatūru.

Elementu priekšrocība ir to ilgs kalpošanas laiks, jo tie ir izgatavoti monolīta korpusa formā, darbības traucējumi ir maz ticami. Parastā plaši izmantotā tipa vienkāršais dizains ir vienkāršs, kas sastāv no diviem vara vadiem ar spailēm un vadiem, keramikas izolāciju.

Šis ir neliels pieteikšanās vietu saraksts. Tas paplašinās, iekļaujot sadzīves ierīces, datorus un automašīnas. Var atzīmēt Peltjē elementu izmantošanu dzesēšanas mikroprocesoros ar augstu veiktspēju. Iepriekš tajos bija uzstādīti tikai ventilatori. Tagad, uzstādot moduli ar Peltjē elementiem, troksnis ierīču darbībā ir ievērojami samazinājies.

Vai dzesēšanas ķēdes parastajos ledusskapjos mainīsies uz ķēdēm, kurās izmanto Peltjē efektu? Mūsdienās tas ir gandrīz neiespējami, jo elementiem ir zema efektivitāte. To izmaksas arī neļauj tos izmantot ledusskapjos, jo tās ir diezgan augstas. Nākotne rādīs, kā šis virziens attīstīsies. Mūsdienās tiek veikti eksperimenti ar cietiem šķīdumiem, kas ir līdzīgi pēc struktūras un īpašībām. Tos lietojot, dzesēšanas moduļa cena var samazināties.

Peltjē elementu reversais efekts

Šāda veida tehnoloģijai ir iezīme ar interesantiem faktiem. Tas ir elektriskās strāvas radīšanas efekts, atdzesējot un sildot Peltjē moduļa plāksni. Citiem vārdiem sakot, tas kalpo kā elektriskās enerģijas ģenerators ar pretēju efektu.

Tādi elektroenerģijas ģeneratori tīri teorētiski joprojām pastāv, taču varam cerēt uz šī virziena attīstību nākotnē. Savulaik franču izgudrotājs savam atklājumam neatrada nekādu pielietojumu.

Mūsdienās šo termoelektrisko efektu plaši izmanto elektronikā. Pielietojuma joma pastāvīgi paplašinās, ko apliecina pētnieku un zinātnieku ziņojumi un pieredze. Nākotnē mājsaimniecības un elektroniskajām ierīcēm būs uzlabotas novatoriskas iespējas. Ledusskapji kļūs klusi, tāpat kā datori. Tikmēr Peltier moduļi tiek montēti dažādās ķēdēs, lai atdzesētu radio komponentus.

Priekšrocības un trūkumi

Peltjē elementu priekšrocības ietver šādus faktus:

• Elementu kompaktais korpuss ļauj to uzstādīt uz dēļa ar radio komponentiem.
• Nav kustīgu vai beržu detaļu, kas palielina tā kalpošanas laiku.
• Ļauj savienot daudzus elementus vienā kaskādē saskaņā ar shēmu, kas ļauj samazināt ļoti karstu detaļu temperatūru.
• Mainot barošanas sprieguma polaritāti, elements darbosies apgrieztā secībā, tas ir, dzesēšanas un apkures puses mainīsies vietām.

Trūkumi ir šādi:

• Nepietiekams darbības koeficients, kas ietekmē pievadītās strāvas pieaugumu, lai sasniegtu nepieciešamo temperatūras starpību.
• Diezgan sarežģīta sistēma siltuma noņemšanai no dzesēšanas virsmas.

Kā izgatavot Peltjē elementus ledusskapim

Šādus Peltjē elementus ātri un vienkārši varat izgatavot pats. Vispirms jums jāizlemj par plākšņu materiālu. Nepieciešams ņemt no izturīgas keramikas izgatavotu elementu plāksnes, sagatavot vadus vairāk nekā 20 gab., lai nodrošinātu vislielāko temperatūras starpību. Ar pietiekamu skaitu efektivitātes elementu ledusskapja veiktspēja ievērojami palielināsies.

Lielu lomu spēlē izmantotā ledusskapja jauda. Ja tas darbojas uz šķidrā freona, tad ar veiktspēju nebūs problēmu. Elementu plāksnes ir uzstādītas netālu no iztvaicētāja, montētas kopā ar dzinēju. Šādai uzstādīšanai jums būs nepieciešams noteikts starpliku un instrumentu komplekts. Tas nodrošinās, ka ledusskapja apakšdaļa ātri atdziest.

Nepieciešama rūpīga vadītāju izolācija, tikai pēc tam tie tiek pievienoti kompresoram. Pēc uzstādīšanas jums jāpārbauda spriegums ar multimetru. Ja elementi nedarbojas pareizi (piemēram, īssavienojums), termostats darbosies.

Citi termoelektrisko moduļu pielietojumi

Peltjē moduļa efekts mūsdienās tiek izmantots, pateicoties fizikas likumiem. Elementu pārpalikuma enerģija vienmēr ir noderīga tur, kur nepieciešama klusa un ātra siltuma apmaiņa.

Galvenās moduļu izmantošanas vietas:

• Mikroprocesoru dzesēšana.
• Iekšdedzes dzinēji ražo izplūdes gāzes, kuras zinātnieki ir sākuši izmantot palīgenerģijas ģenerēšanai, izmantojot termoelektriskos moduļus. Šādā veidā iegūtā enerģija atkal tiek piegādāta motoram elektrības veidā. Tas rada degvielas ietaupījumu.
• Sadzīves ierīcēs, kas iedarbojas uz sildīšanu vai dzesēšanu.

Dzesēšanas dzesētājs var kļūt par sildītāju, un ledusskapis var darboties kā apkures skapis, ja tiek mainīta līdzstrāvas polaritāte. To sauc par atgriezenisku efektu.

Šis princips tiek izmantots rekuperatoros. Tas sastāv no kastes ar divām kamerām. Tie ir savienoti viens ar otru ar ventilatoru. Peltjē elementi silda auksto gaisu, kas ienāk no ārpuses, izmantojot enerģiju, kas tiek iegūta no siltā gaisa telpā. Šī ierīce ietaupa telpu apkures izmaksas.

Peltjē efekts ir process, ko papildina temperatūras starpības parādīšanās starp diviem dažādiem materiāliem, kad caur tiem iet elektriskā strāva. Vispirms paskaidroja akadēmiķis un izgudrotājs Lencs.

Pateicības

Mēs nevaram ignorēt PSRS Zinātņu akadēmijas pateicību un akadēmiķa A.F. Ioffam par viņa milzīgo darbu pie termoelektrības attīstības PSRS un pētījumu rezultātu nodošanu sabiedrības uzmanībai.

Piemērojamība

Peltjē efekts tiek izmantots dzesēšanai; sildīšana ir iespējama ar jebkuru vadītāju saskaņā ar Džoula-Lenca likumu. Tāpēc parādība ir noderīga:

1. Lai izveidotu zemsprieguma un līdzstrāvas ledusskapjus. Ar iespēju apsildīt, mainot jaudas polaritāti. Rietumos šādi tiek veidoti ceļojumu sviestmaižu cepēji. Aukstums neļauj precei sabojāties, apgrieztā polaritāte ļauj pasniegt produktu karstu.
2. Procesora dzesētāji sniedz būtisku ieguldījumu sistēmas bloka kopējos trokšņu raksturlielumos. Ja tos aizstāj ar Peltier elementiem, dažreiz pietiek ar kopīgu ventilatoru. Tas nav tik skaļš, korpusam nav jaudīga radiatora, un stiprinājums ir uzticams (atšķirībā no mātesplates materiāla).

Dzesēšanas teorijas attīstība

Peltjē efekts nepiesaistīja lielu zinātnieku uzmanību un šķita bezjēdzīgs. Atvērts 1834. gadā, tas putekļus vāca zinātnisko bibliotēku plauktos vairāk nekā gadsimtu, pirms sāka rast pirmos nozīmīgos tehniskos risinājumus šajā jomā. Piemēram, Altenkirhs (1911) paziņoja, ka nav iespējams izmantot Peltjē efektu saldēšanas iekārtās; savos aprēķinos viņš paļāvās uz tīru metālu izmantošanu sakausējumu un pusvadītāju vietā.

Vēlāk apstiprinājās vācu zinātnieka secinājumu maldīgums, kurā nozīmīga loma bija PSRS Zinātņu akadēmijas pusvadītāju laboratorijai. Līdz 1950. gadam tika izveidota saskaņota teorija, kas dažu nākamo gadu laikā ļāva izveidot pirmo elektrotermisko ledusskapi. Ar salīdzinoši zemu 20% efektivitāti ierīce pazemināja temperatūru par 24 grādiem, kas vairumā gadījumu bija pietiekami sadzīves vajadzībām. Pēc gadiem temperatūras starpība jau bija 60 grādi.

50. gadu fizikā Peltjē elements tika uzskatīts par saldēšanas iekārtu ar elektronu gāzi freona vietā. Attiecīgi sistēma tika pārskatīta. Galvenais parametrs ir saldēšanas koeficients, laika vienībā patērētā siltuma daudzuma attiecība pret tai patērēto jaudu. Mūsdienu freona gaisa kondicionieriem un ledusskapjiem šis rādītājs pārsniedz vienu. 50. gados Peltjē elements tikko sasniedza 20%.

Efekts no termodinamikas viedokļa

Peltjē efektu apraksta ar formulu, kas parāda, cik daudz enerģijas tiek pārnests pie noteikta elektriskās strāvas daudzuma. Izsakot to laika vienībās, tiek atrasta ierīces jauda, ​​uz kuras pamata tiek noteiktas ledusskapja vajadzības. Klusie Peltjē elementi procesoru dzesētājiem mūsdienās ir populāri. Maza plāksne atdzesē presformu, un to dzesē dzesētāja radiators. Peltjē elements kalpo kā siltumsūknis, kas garantēti noņem siltumu no centrālā procesora, neļaujot tam pārkarst.

Attēlā redzamajā formulā alfa apzīmē elementa pušu (komponentu) termo-EMF koeficientus. T – darba temperatūra Kelvina grādos. Katrā elementā, kā likums, ir Tomsona blakusefekts: ja strāva plūst caur vadītāju un gar līniju ir temperatūras gradients (virziena starpība), papildus džoula siltumam tiks atbrīvots cits siltums. Pēdējais nes Tomsona vārdu. Atsevišķos ķēdes posmos enerģija tiks absorbēta. Tas nozīmē, ka Tomsona efektam ir spēcīga ietekme uz sildītāju un ledusskapju darbību. Bet tas, kā jau teikts, ir blakus, neņemts faktors.

No formulējumiem izriet, ka efektīvs risinājums maksimālas efektivitātes sasniegšanai būs siltumizolācija starp krustojumiem. Pāris izmanto pusvadītājus, kas spēj radīt termo-EMF; elektriskajai strāvai ir jāpārvar tā pretestība. Patērētā enerģija ir proporcionāla temperatūras starpībai un vielu termo-EMF koeficientu starpībai un ir atkarīga no plūstošās strāvas. Atkarību grafiki attēlo līknes, un, tās diferencējot, lai atrastu galējības, ir iespējams iegūt nosacījumus maksimālās temperatūras starpības sasniegšanai (starp telpu un ledusskapi).

Attēlos parādīti atvasinājuma ņemšanas darbības rezultāti, kur tiek aprēķinātas optimālās strāvas termopāra pretestībai R un maksimālajam dzesēšanas efekta pieaugumam. No šīm formulām izriet, ka ideāls auto tiks iegūts, ja:

• Termopāra materiālu elektriskā vadītspēja ir vienāda.
• Termopāra materiālu siltumvadītspēja ir vienāda.
• Termo-EMF koeficienti ir vienādi, bet pretēji pēc zīmes.
• Termopāra zaru sekcijas un garumi ir vienādi.

Šos nosacījumus ir grūti īstenot praksē. Šajā gadījumā ierobežojošais veiktspējas koeficients ir vienāds ar aukstās krustojuma temperatūras attiecību pret temperatūras starpību. Atcerēsimies, ka tā ir ideāla auto īpašība, taču patiesībā tā joprojām ir nesasniedzama.

Kā optimizēt saldēšanas iekārtas darbību, izmantojot Peltjē elementus

Attēlos parādīti lielumu grafiki, kas ietekmē Peltjē elementu efektivitāti. Pirmais, kas iekrīt acīs, ir tas, ka termo-emf koeficientam ir tendence uz nulli, palielinoties lādiņnesēju koncentrācijai. Tas ir atgādinājums, ka metāli netiek uzskatīti par labākajiem materiāliem termopāru izgatavošanai. Siltumvadītspēja, gluži pretēji, palielinās. Termodinamikā tiek uzskatīts, ka tas sastāv no diviem komponentiem:

1. Kristāla režģa siltumvadītspēja.
2. Siltumvadītspēja ir elektroniska. Acīmredzamu iemeslu dēļ šis komponents ir atkarīgs no brīvo lādiņnesēju koncentrācijas un izraisa līknes pieaugumu parādītajā grafikā. Kristāla režģa siltumvadītspēja paliek gandrīz nemainīga.

Pētniekus interesē termo-emf koeficienta kvadrāta un elektriskās vadītspējas reizinājums. Minētā vērtība ir veiktspējas koeficienta izteiksmes skaitītājā. Saskaņā ar datiem ekstrēmu novēro brīvo nesēju koncentrācijā no 10 līdz 19. vienību jaudai uz kubikcentimetru. Tas ir par trim lielumiem mazāk nekā tīros metālos, no kā izriet secinājums, ka pusvadītāji būs ideāls materiāls Peltjē elementiem.

Otrā komponenta īpatsvars mazākajā virzienā pa abscisu asi jau ir salīdzinoši mazs, arī no šī intervāla iespējams ņemt materiālus. Dielektriķu elektrovadītspēja ir pārāk zema, kas izskaidro to izmantošanas neiespējamību šajā kontekstā. Tas viss ļauj mums noskaidrot iemeslu, kāpēc Altenkirha secinājumi netiek uztverti nopietni.

Kvantu teorija, ko piemēro Peltjē elementiem

Termodinamika neļauj veikt precīzu aprēķinu, bet kvalitatīvi raksturo Peltjē elementu materiālu atlases procesu. Lai labotu situāciju, fiziķi aicina palīgā kvantu teoriju. Tas darbojas ar tādām pašām vērtībām, kas izteiktas ar brīvo lādiņu nesēju koncentrāciju, ķīmisko potenciālu un Bolcmana konstanti. Šādas teorijas parasti sauc arī par kinētiskām (vai mikroskopiskām), jo tiek aplūkota mazāko daļiņu iluzora un nezināmā pasaule. Starp apzīmējumiem ir:

1. l ir lādiņu nesēju brīvais ceļš. Atkarīgs no temperatūras. Rezultātu nosaka pēc elektronu izkliedes mehānisma pakāpes indeksa r (atomu režģiem tas ir 0; jonu režģiem un temperatūrām zem Debija viena - 0,5; virs Debija viena - 1; izkliedei ar piemaisījumu joniem - 2).
2. f ir Fermi sadalījuma funkcija (pār enerģijas līmeņiem).
3. x ir lādiņnesēju samazinātā kinētiskā enerģija.

Fermi funkciju integrāļi ir uzskaitīti tabulās, to aprēķināšana nav grūta. Mikroskopiskās teorijas vienādojumi tiek risināti attiecībā uz termo-EMF un elektrovadītspējas koeficientiem, kas ļauj atrast aukstuma koeficientu. Šīs sarežģītās operācijas veica B.I. Boks, kurš atklāja, ka Zēbeka koeficienta optimālā vērtība ir robežās no 150 līdz 400 μV/K, bet ir atkarīga no izkliedes mehānisma pakāpes. No pirmā acu uzmetiena ir skaidrs, ka metāliem vērtības netiek ievērotas. Rezultātā Ioffa vadītā fiziķu grupa parādīja, ka labākajam termopāru materiālam ir jāatbilst vairākiem nosacījumiem:

1. Nesēja mobilitātes maksimālā attiecība pret kristāla režģa siltumvadītspējas koeficientu.
2. Nesējvielas koncentrācija saskaņā ar formulu, kas parādīta attēlā.

V.P. Juse parāda, kurām vielām ir nepieciešamā mobilitāte. Viņu kristāla struktūra ir pa vidu starp atomu un metālu. Piemaisījumu ievadīšana materiālā vienmēr samazina mobilitāti. Tas izskaidro faktu, ka termo-emf koeficients sakausējumiem ir augstāks nekā tīriem materiāliem. Bet piemaisījumi palielina r. Ideālai vielai, kas dabā nepastāv, termo-EMF koeficientam jāsaglabā nemainīga vērtība, kas vienāda ar 172 μV/K. Nepieciešams, lai koncentrācija mainītos atbilstoši attēlā norādītajam likumam (sk. 2. punktu).

Pusvadītāji izceļas ar spēju atlasīt materiālus, kuros lādiņnesēju koncentrācija ir atkarīga no temperatūras, un atrast tos, kur atšķirība ir praktiski nulle. Apvienojot šīs īpašības, iespējams mēģināt atrast ideālam tuvāko materiālu.

Ledusskapju dizaini

Lai pastiprinātu efektu, Peltjē elementi tiek kombinēti paralēli. Tajā pašā laikā viņu spējas summējas. Lai izstrādātu savus ledusskapjus, jums jāzina siltuma zudumu aprēķins caur plakanām konstrukcijām. Ir izveidoti speciāli kalkulatori, daudzi ir pieejami tiešsaistē.

Projektēšana pēc nejaušības principa acīmredzamu iemeslu dēļ ir nerentabla. Un labā ziņa ir tā, ka Peltier elementi pēdējos gados ir ievērojami samazinājušies. Vietnē Ali Express iegādājieties 60 W produktus no Ķīnas par 300 rubļiem. Nav grūti saprast, ka ledusskapi var salikt par 3000. Un kāda temperatūra tā uzturēsies, ir atkarīga no konstrukcijas, kurai nepieciešams aprēķins.