Peltier hőelektromos modul - eszköz, működési elv, jellemzők

A termo-EMF kialakulásának jelenségét Thomas Johann Seebeck német fizikus fedezte fel 1821-ben. És ez a jelenség abban áll, hogy egy zárt elektromos áramkörben, amely heterogén vezetőkből áll egymáshoz csatlakoztatva, feltéve, hogy érintkezőik különböző hőmérsékleten vannak, EMF lép fel.

Ezt a felfedezőjének, a Seebeck-effektusnak a nevét már ma egyszerűen nevezik hőelektromos hatás.

Ha az áramkör csak pár különféle vezetőből áll, akkor ezt az áramkört hívják hőelem. Az első megközelítésben azt lehet állítani, hogy a thermo-emf nagysága csak a vezetők anyagától és a hideg és meleg érintkezők hőmérsékletétől függ. Így egy kis hőmérsékleti tartományban a termo-EMF arányos a hideg és a forró kontaktusok hőmérsékleti különbségével, és a képletben az arányossági együtthatót hő-EMF együtthatónak nevezzük.

Tehát például 100 ° C hőmérsékleti különbségnél, 0 ° C hideg érintkezési hőmérsékleten egy réz-konstans pár hő-EMF értéke 4,25 mV.

Eközben A termoelektromos hatás három összetevőn alapul:

Az első tényező a különféle anyagok különbsége az átlagos elektronenergia hőmérséklettől való függésében. Ennek eredményeként, ha a vezető hőmérséklete az egyik végén felmelegszik, akkor az elektronok ott nagyobb sebességet szereznek, mint a vezető hideg végén lévő elektronok.

Mellesleg, a vezetőképes elektronok koncentrációja növekszik a hevítésű félvezetőkben is. Az elektronok nagy sebességgel rohannak a hidegvégre, ott negatív töltés halmozódik fel, és a forró végén kompenzálatlan pozitív töltés alakul ki. Tehát létezik egy hő-EMF komponens, az úgynevezett volumetrikus EMF.

A második tényező az, hogy különböző anyagok esetében az érintkezési potenciálkülönbség eltérően függ a hőmérséklettől. Ennek oka az egyes vezetők Fermi-energiájának különbsége. Ebben az esetben a kontakt potenciálkülönbség arányos a Fermi energia különbséggel.

Az elektromos mezőt vékony érintkezőrétegben kapják, és a potenciálkülönbség mindkét oldalon (az érintkezőbe kerülő vezetékek mindegyikénél) azonos lesz, és amikor az áramkört egy zárt körben köröztetik, az eredményül kapott elektromos mező nulla lesz.

De ha az egyik vezető hőmérséklete eltér a másik hőmérséklettől, akkor a Fermi energia hőmérséklettől való függése miatt a potenciálkülönbség is megváltozik. Ennek eredményeként kontakt EMF lesz - a termo-EMF második alkotóeleme.

A harmadik tényező az EMF fonon növekedése. Feltéve, hogy a szilárd anyagban hőmérsékleti gradiens van, akkor a forró végtől a hideg felé mozgó fononok (fonon - a kristály atomok rezgési mozgásának kvantuma) száma érvényesül, amelynek eredményeként a fononokkal együtt nagyszámú elektron kerül a hideg vége felé. , és ott negatív töltés halmozódik fel, amíg a folyamat egyensúlyba nem kerül.

Ez a hő-EMF harmadik alkotóelemét eredményezi, amely alacsony hőmérsékleten több százszor magasabb is lehet, mint a fent említett két elem.

1834-ben a francia fizikus, Jean Charles Peltier felvette az ellenkező hatást. Megállapította, hogy amikor egy elektromos áram áthalad két különféle vezető metszéspontján, a hő felszabadul vagy felszívódik.

Az abszorbeált vagy felszabadult hőmennyiség a forrasztott anyagok típusával, valamint a kereszteződésen átfolyó villamos áram irányával és nagyságával függ össze.A képletben a Peltier-együttható numerikusan megegyezik a hő-EMF együtthatóval és az abszolút hőmérséklettel. Ezt a jelenséget ma már ismert néven peltier hatás.

1838-ban Emiliy Khristianovich Lenz orosz fizikus megértette a Peltier-effektus lényegét. Kísérletileg kipróbálta a Peltier-hatást azáltal, hogy csepp vizet helyezett az antimon- és bizmutminták metszéspontjába. Amikor Lenz áthaladt egy elektromos áramon az áramkörön, a víz jéggé változott, de amikor a tudós megfordította az áram irányát, a jég gyorsan megolvadt.

A tudós úgy állapította meg, hogy az áram áramlásakor nemcsak a Joule hő szabadul fel, hanem a kiegészítő hő abszorpciója vagy felszabadulása is. Ezt a kiegészítő hőt Peltier-hőnek hívták.

A Peltier-hatás fizikai alapja a következő. Két anyag kereszteződésein az érintkezési potenciál különbség által létrehozott érintkezőmező vagy megakadályozza az áram áthaladását az áramkörön, vagy hozzájárul ahhoz.

Ha az áram átkerül a mezőhöz, akkor szükség van a forrás munkájára, amelynek energiát kell költenie az érintkezőtér leküzdésére, amelynek eredményeként a csomópont felmelegszik. Ha az áramot úgy irányítják, hogy az érintkezőmező támogassa azt, akkor az érintkezőmező elvégzi a munkát, és az energiát maga az anyag veszi el, és nem használja fel az áramforrás. Ennek eredményeként a kereszteződésben levő anyag lehűl.

A leginkább kifejező Peltier hatás a félvezetőkben, amelynek eredményeként a Peltier modulok vagy termoelektromos átalakítók.

A szívében Peltier elem két egymással érintkező félvezető. Ezeket a félvezetőket megkülönbözteti a vezető sávban levő elektronok energiája, tehát amikor egy áram áramlik át az érintkezési ponton, az elektronokat arra kényszerítik, hogy energiát szerezzen egy másik vezető sávba való átvitel céljából.

Tehát, amikor egy másik félvezető nagyobb energiájú vezetési sávjára haladnak, az elektronok elnyelik az energiát, lehűtve az átmeneti helyet. Az áram ellenkező irányában az elektronok energiát bocsátanak ki, és a Joule-hőn kívül melegítés történik.

A Peltier félvezető modul több párból áll p és n típusú félvezetőkkis párhuzamos cső alakú. Félvezetőkként általában bizmut-telluridot és szilícium és germánium szilárd oldatát használják. A félvezető párhuzamos csöveket párosítva réz jumpererek kötik össze. Ezek a jumperek érintkezőkként szolgálnak a kerámia lemezek hőcseréjéhez.

A jumperek úgy vannak elrendezve, hogy a modul egyik oldalán csak olyan jumperok vannak, amelyek n-p átmenetet biztosítanak, másrészt csak olyan jumperok, amelyek p-n átmenetet biztosítanak. Ennek eredményeként, amikor áramot alkalmaznak, a modul egyik oldala felmelegszik, a másik oldal lehűti, és ha a tápegység polaritása megfordul, a fűtési és hűtési oldalak ennek megfelelően változnak. Így az áram áthaladásával a hő átadódik a modul egyik oldaláról a másikra, és hőmérsékleti különbség lép fel.

Ha most a Peltier modul egyik oldalát felmelegítjük, a másikat lehűtjük, akkor a körben hő-emf jelenik meg, vagyis a Seebeck-effektus megvalósul. Nyilvánvaló, hogy a Seebeck-effektus (termoelektromos hatás) és a Peltier-effektus ugyanazon érme két oldala.

Ma könnyen vásárolhat Peltier-modulokat viszonylag megfizethető áron. A legnépszerűbb Perrier modulok a TEC1-12706 típusúak, 127 hőelemet tartalmaznak és 12 voltos tápellátásra tervezték.

Legfeljebb 6 amper fogyasztás esetén 60 ° C hőmérsékleti különbség érhető el, míg a gyártó által megadott biztonságos üzemi hőmérsékleti tartomány -30 ° C és + 70 ° C között van. A modul mérete 40 mm x 40 mm x 4 mm. A modul hűtési és fűtési módban is működhet generációs mód.

Vannak erősebb Peltier-modulok, például a TEC1-12715, 165 watt névleges teljesítményű. Ha 0 és 15,2 volt közötti feszültséget kap, 0-15 amper áramerősséggel bír, ez a modul 70 ° C hőmérsékleti különbséget képes kifejleszteni.A modul mérete szintén 40 mm x 40 mm x 4 mm, azonban a biztonságos üzemi hőmérsékleti tartomány szélesebb - -40 ° C-tól + 90 ° C-ig.

Az alábbi táblázat a piacon széles körben elérhető Peltier-modulok adatait mutatja:

A Pelt modulok adatai