Исполнитель: Тихомиров Анатолий Константинович 741 об
Руководитель: Русинов Владислав Леонидович
Холодильники на элементе Пельтье
Элемент Пельтье -- это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье -- выделение или поглощение тепла в зоне, где контактируют разнородные проводники, по которым проходит электрический ток. Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов -- одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi2Te3 и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются -- или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.
Термоэлектрический модуль Пельтье -- это самый распространенный тип элемента Пельтье. Используется во многих бытовых приборах. Не дорогой, с неплохими параметрами. Хороший вариант для изготовления маломощных холодильников, охладителей воды и т.п.
Термоэлектрический модуль (ТЭМ)
Обозначение:A-контакты для подключения к источнику питания;
B-горячая поверхность элемента;
C-холодная сторона;
D-медные проводники;
E-полупроводник на основе p-перехода;
F-полупроводник n-типа.
Параметры элементов Пельтье.Qmax (Вт) - холодопроизводительность, при максимально-допустимом токе и разности температур между горячей и холодной сторонами равной 0. Считается, что вся тепловая энергия поступающая на холодную поверхность, мгновенно, без потерь передается на горячую.
Delta Tmax (град) - максимальная разность температур между поверхностями модуля при идеальных условиях: температура горячей стороны - 27 °C и холодная сторона с нулевой отдачей тепла.
Imax (А) - ток, обеспечивающий перепад температур delta Tmax.
Umax (В) - напряжение, при токе Imax и разности температур delta Tmax.
Resistance (Ом) - сопротивление модуля постоянному току.
COP (Сoefficient Of Рerformance) - коэффициент, отношение мощности охлаждения к электрической мощности, потребляемой модулем. Т.е. подобие кпд. Обычно 0.3-0.5.
Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.
Модули Пельтье - капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.
Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:
Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение - выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
Полярность модуля отмечена цветами проводов - черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.
Общие требования к контроллеру для холодильника на элементе Пельтье.Выработка питания для элемента Пельтье с пульсациями не более 5%.
Стабилизация на модуле электрической мощности, т.е. произведение тока на напряжение.
Обеспечение плавного включение модуля.
Регулировка температуры происходит по принципу аналогового регулирования, т.е. плавного изменения мощности на элементе пельтье.
Контроллер разработан для холодильника, поэтому математика регуляторов учитывает инерционность охлаждения воздуха в камере.
Обеспечивает контроль температуры горячей стороны модуля и управление вентилятором.
Элемент Пельтье можно применить для создания небольшого мобильного холодильника, взяв две ёмкости разного материала(пластиковую, фанерную или металлическую) и разных размеров (так чтобы вторая вмещалась в первую, оставляя небольшое пространство для продолжительного сохранения более высокой или низкой температуры как термос). Во вторую ёмкость поместить датчик слежения температур, который будет подключаться к крышке, где будет размещён элемент Пельтье с вентилятором, плата с экраном, аккумулятор, с разъёмом для подзарядки. Вентилятор будет брать воздух снаружи через отверстия в крышке и направлять этот поток воздуха во внутрь всей ёмкости. Также можно задать автоматическую подачу электроэнергии для её экономии и поддержания температуры с помощью кнопки регулировки температуры, расположенной на панели.
Преимущество холодильников на элементе Пельтье: Отсутствие жидких и газообразных хладагентов, движущихся и трущихся частей, бесшумность работы (не относится к моделям с вентиляторами для рассеивания тепла от термобатареи), возможность точного регулирования температуры и теплопроизводительности путём варьирования величины тока и надёжность, устойчивость работы при динамических нагрузках, кренах и вибрации.
Недостатки: Низкий КПД, необходимость в источнике питания, ограниченное число старт-стопов, высокая стоимость мощных модулей.