Peltierův článek: princip činnosti, použití a jak si vyrobit ledničku vlastníma rukama – Interlavka

V roce 1834 objevil francouzský fyzik Jean Charles Peltier při studiu vlivu elektřiny na vodiče velmi zajímavý jev. Pokud prochází proud dvěma odlišnými vodiči umístěnými v těsné blízkosti sebe, jeden z těchto vodičů se začne silně zahřívat a druhý naopak silně ochlazuje. Množství uvolněného a absorbovaného tepla přímo závisí na síle a směru elektrického proudu. Pokud změníte směr proudu, studená a horká strana si vymění místa. O něco později byl tento jev nazýván Peltierův jev a byl bezpečně zapomenut kvůli jeho praktické nepotřebě v té době.

A teprve po více než sto letech, s úsvitem éry polovodičů, byla naléhavá potřeba kompaktních, levných a účinných chladičů. V 60. letech 20. století se tak objevily první polovodičové termoelektrické moduly, které se nazývaly Peltierovy články.

Peltierův termočlánek

Základem jakéhokoli termoelektrického modulu je skutečnost, že různé vodiče mají různé energetické hladiny elektronů. Jinými slovy, jeden vodič lze znázornit jako oblast vysoké energie, druhý vodič jako oblast nízké energie. Když se dva vodivé materiály dostanou do kontaktu a protéká jimi elektrický proud, musí se elektron z oblasti nízké energie přesunout do oblasti vysoké energie.

K tomu nedojde, pokud elektron nezíská potřebné množství energie. V okamžiku absorpce této energie elektronem se kontaktní bod obou vodičů ochladí. Pokud se změní směr toku proudu, dojde k efektu ohřevu kontaktního bodu, naopak.

Lze použít jakékoli vodiče, ale tento efekt se fyzicky projeví a stane se významným pouze v případě použití polovodičů. Například při kontaktu kovů je Peltierův jev tak nevýznamný, že je na pozadí ohmického ohřevu prakticky nepostřehnutelný.

Návrh modulu

Termoelektrický modul (TEM), bez ohledu na jeho velikost a místo použití, se skládá z různého počtu tzv. termočlánků. Termoklásek je samotná cihla, ze které je jakýkoli TEM postaven. Skládá se ze dvou polovodičů s různými typy vodivosti. Jak je známo, existují dva typy vodivosti: p a n. V souladu s tím existují dva typy polovodičů. Tyto dva odlišné prvky jsou v termočlánku spojeny pomocí měděného můstku. Jako polovodiče se používají soli kovů, jako je vizmut, telur, selen nebo antimon.

TEM je sada podobných termočlánků zapojených sériově. Všechny termočlánky jsou umístěny mezi dvěma keramickými destičkami. Peltierova destička. Destičky jsou vyrobeny z nitridu nebo oxidu hliníku. Počet termočlánků v jednom prvku se může lišit. ve velmi širokých mezích, od několika kusů až po několik stovek nebo tisíců.

Jinými slovy, Peltierovy články mohou mít absolutně jakýkoli výkon, od setin až po několik stovek nebo tisíců wattů. Stejnosměrný proud prochází všemi termočlánky postupně a v důsledku toho se horní keramická deska ochladí a spodní se naopak zahřeje. Pokud změníte směr proudu, desky si vymění místa, horní se začne zahřívat a spodní se ochladí.

V provozu prvku existuje jedna vlastnost, která se aktivně využívá ke zvýšení chladicí účinnosti tohoto zařízení. Jak je známo, při průchodu proudu Peltierovým prvkem vzniká teplotní rozdíl mezi zahřívaným a chlazeným povrchem. Pokud je tedy aktivně zahřívaný povrch vystaven nucenému chlazení. Například pomocí speciálního chladiče, povede to k ještě silnějšímu ochlazení povrchu, tedy chlazeného. V tomto případě může teplotní rozdíl s okolním vzduchem dosáhnout několika desítek stupňů.

Výhody a nevýhody

Stejně jako jakékoli technické zařízení, i termoelektrický modul má své výhody i nevýhody:

• Malá velikost. Nebo přesněji řečeno, TEM může mít libovolnou velikost, od mikroskopické až po gigantickou.
• Absence pohyblivých prvků v konstrukci činí zařízení naprosto tichým při provozu.
• Absence kapalných nebo plynných plniv v konstrukci činí zařízení extrémně jednoduchým jak z hlediska konstrukce, tak i provozu.
• V závislosti na směru proudu může být TEM buď chladicím prvkem, nebo topným prvkem.
• Hlavní nevýhodou TEM je jeho nízká účinnost ve srovnání s kompresorovými chladicími jednotkami pracujícími na freon.

Problém zvýšení účinnosti transmisních měřítek (TEM) spočívá v neřešitelné technické hádance. Volné elektrony mají v podstatě dvojí povahu, což se projevuje v praxi a současně přenášejí elektrický proud i tepelnou energii. V důsledku toho musí být vysoce účinný Peltierův článek vyroben z materiálu, který má současně dvě vzájemně se vylučující vlastnosti. Tento materiál musí dobře vést elektrický proud a špatně vést teplo. Takový materiál v přírodě zatím neexistuje, ale vědci tímto směrem aktivně pracují.

Технические характеристики

Všechny termoelektrické moduly mají odpovídající technické vlastnosti:

• Qmax — chladicí výkon. Vypočítává se na základě maximálního přípustného proudu a teplotního rozdílu mezi protilehlými povrchy. Hodnota se měří ve wattech.
• DTmax — maximální teplotní rozdíl mezi povrchy prvku. Měří se ve stupních.
• Imax je přípustná síla proudu potřebná k vytvoření maximálního teplotního rozdílu.
• Umax je maximální přípustné napětí.
• Odpor — vnitřní odpor zařízení.
• COP (coefficient of performance) — koeficient účinnosti. Jedná se o účinnost topného tělesa. Ukazuje poměr chladicího výkonu k spotřebovanému. U nejmodernějších modelů je tento koeficient téměř 0.5. U jednodušších modelů nepřesahuje 0.2–0.3.

Aplikace TEM

Navzdory vážné nevýhodě, která je vlastní všem Peltierovým článkům bez výjimky, a to velmi nízké účinnosti, tato zařízení našla poměrně široké uplatnění jak ve vědě a technice, tak v každodenním životě.

Termoelektrické moduly jsou důležitými konstrukčními prvky zařízení, jako jsou:

• Mobilní ledničky. Zejména autoledničky.
• Přenosné tepelné generátory. Pro výrobu elektřiny v těžko dostupných místech.
• Chladicí systémy v moderních počítačích.
• Autoklimatizace.
• Chladiče pro chlazení i ohřev vody.
• Vysoušeče vzduchu.
• Laboratorní chladicí inkubátory.

Peltierův článek v rukou domácího řemeslníka

Je třeba hned poznamenat, že výroba termoelektrického prvku svépomocí je přinejmenším zbytečná a zbytečná činnost. Pokud ovšem ten, kdo jej vyrábí, není žákem sedmé třídy a neupevňuje si tak znalosti získané v hodinách fyziky.

Mnohem jednodušší koupit nový termoelektrický prvek v příslušném obchodě. Naštěstí jsou levné a není nouze o výběr konkrétního modelu. A kromě toho, že se v nich nic nerozbije ani neopotřebuje, se žádný topný článek vyjmutý ze starého počítače nebo klimatizace do auta svými technickými vlastnostmi nebude lišit od nového.

Nejoblíbenějším modelem termočlánku je TEC1-12706. Rozměry tohoto zařízení jsou 40 x 40 milimetrů. Skládá se ze 127 termočlánků zapojených do série. Je navržen pro proud 5 A s napětím obvodu 12 V. Takový prvek stojí v průměru 200 až 300 rublů. Můžete ho ale sehnat za stovku, nebo dokonce zdarma, pokud si ho vezmete ze starého počítače nebo jiného nepotřebného zařízení.

Pomocí takového prvku si můžete vyrobit alespoň dvě velmi zajímavá a užitečná domácí zařízení.

Jak si vyrobit ledničku vlastníma rukama

Výroba přenosných chladniček, zejména pro automobily, je zcela založena na Peltierově jevu. K výrobě podobného zařízení doma budete potřebovat:

• Termoelement značky TEC1—12706. V nejbližším obchodě (specializovaném) stojí 200 rublů.
• Chladič a ventilátor. Demontováno ze starého počítače, který již posloužil svému účelu.
• Nádoba. Jakákoli nepotřebná nádoba vyrobená z plastu, kovu nebo dřeva. Taková nádoba je zvenku i zevnitř obložena tepelně úspornými pěnovými nebo polystyrenovými deskami.

Termoelektrický modul je zabudován do víka nádoby. V tomto případě bude chlad proudit shora dolů, což povede k rovnoměrnému ochlazování nádoby. Zevnitř nádoby je k jejímu víku pomocí teplovodivé pasty a montážních šroubů připevněn chladič.

Pro zvýšení kapacity budoucího chladicího zařízení je možné zvýšit počet termočlánků na dva, tři nebo i více. V tomto případě se moduly k sobě lepí s dodržením polarity. Jinými slovy, horká strana podkladového prvku se dotýká studené strany nadkladního prvku.

Zvenku je k krytu připevněn další chladič spolu s chladičem počítače. V místě uchycení chladičů by měla být dobrá tepelná izolace mezi studenou – vnitřní a teplou – vnější stranou. Horní a spodní chladič je nutné velmi pečlivě utáhnout upevňovacími šrouby, aby keramické desky tepelných článků umístěných mezi nimi nepraskly.

Elektřina se připojuje pomocí napájecího zdroje, který Můžete si to vzít ze starého počítače.

Přenosný termoelektrický generátor

Taková mini elektrárna může být velmi užitečná pro turistu nebo lovce, když se v lese vybijí baterie všech elektronických zařízení. V takové situaci je velmi romantické vzít pár suchých štěpků a šišek, rozdělat malý oheň a nabít vybité baterie a zároveň vařit jídlo. Přesně to umožňuje přenosný termogenerátor postavený na termočlánku.

K sestrojení tohoto zázračného zařízení potřebujete přenosný kempingový vařič, který funguje na jakýkoli druh paliva. V extrémních případech postačí i malá svíčka nebo tableta suchého lihu.

V kamnech se zapálí oheň a zvenku je k němu pomocí teplovodivé pasty připevněn termoelektrický modul. Je připojen k měniči napětí pomocí vodičů.

Velikost přijímaného proudu bude přímo záviset na teplotním rozdílu mezi studenou a horkou stranou termočlánku. Pro efektivní provoz musí být rozdíl mezi studeným a horkým povrchem alespoň 100 stupňů.

V tomto případě je nutné si uvědomit, že maximální teplota je omezena bodem tání pájky, se kterou je samotný modul vyroben. Proto se pro taková zařízení používají speciální tepelné moduly, které jsou vyrobeny se speciální žáruvzdornou pájkou. U běžných modulů je bod tání pájky 150 stupňů. V žáruvzdorných modulech se pájka začíná tavit při teplotě 300 stupňů.

Peltierovy články jsou speciální termoelektrické měniče, které fungují na Peltierově principu (vznik teplotního rozdílu při připojení elektrického proudu, jinými slovy termoelektrický chladič).

Co je Peltierův prvek

Není žádným tajemstvím, že se elektronická zařízení během provozu zahřívají. Zahřívání má negativní vliv na provozní proces, proto jsou do těla zařízení zabudovány speciální prvky, pojmenované po francouzském vynálezci – Peltierovi. Jedná se o malý prvek, který dokáže chladit rádiové součástky na deskách zařízení. Při svépomocí nevzniknou žádné problémy; instalace do obvodu se provádí běžnou páječkou.

1 – Keramický izolant
2 — Typ vodiče n
3 — Vodič typu P
4 – Měděný vodič

V počátcích se nikdo nezajímal o problémy s chlazením, takže tento vynález zůstal nevyužitý. O dvě století později se při používání elektronických zařízení v každodenním životě a průmyslu začaly používat miniaturní Peltierovy články, které připomínaly efekt francouzského vynálezce.

Abychom pochopili, jak funguje prvek založený na Peltierově vynálezu, je nutné pochopit fyzikální procesy. Efekt spočívá ve spojení dvou materiálů s vodivými vlastnostmi, které mají v oblasti vodivosti různou energii elektronů. Když je do vazebné zóny připojen elektrický proud, elektrony dostávají vysokou energii pro přesun do zóny s vyšší vodivostí druhého polovodiče. Během absorpce energie se vodiče ochlazují. Když proud protéká v opačném směru, dochází k obvyklému efektu ohřevu kontaktu.

Veškerá práce probíhá na úrovni mřížky atomu hmoty. Pro lepší pochopení práce si představme plyn částic – fononů. Teplota plynu závisí na parametrech:

• Vlastnosti kovu.
• Teploty prostředí.

Předpokládáme, že kov se skládá ze směsi elektronového a fononového plynu, která je v termodynamické rovnováze. Když se dva kovy s různými teplotami dotknou, studený elektronový plyn se přesune do teplého kovu. Vznikne tak potenciálový rozdíl.

V místě kontaktu elektrony absorbují energii fononů a předávají ji fononům ostatních kovů. Při změně pólů zdroje proudu se celý proces obrátí. Teplotní rozdíl se bude zvyšovat, dokud nebudou k dispozici volné elektrony s vysokým potenciálem. V jejich nepřítomnosti se teploty v kovech vyrovnají.

Pokud je na jednu stranu Peltierova článku instalován kvalitní chladič v podobě radiátoru, druhá strana článku vytvoří nižší teplotu. Bude o několik desítek stupňů nižší než okolní vzduch. Čím vyšší je hodnota proudu, tím silnější bude chlazení. Při obrácené polaritě proudu se studená a teplá strana vzájemně vymění.

Při připojení Peltierova článku k kovu se vliv stává nevýznamným, proto se prakticky instalují dva články. Jejich počet může být libovolný, záleží na potřebě chladicího výkonu.

Účinnost Peltierova jevu závisí na tom, jak přesně jsou zvoleny vlastnosti kovů, síla proudu protékajícího zařízením a rychlost odvodu tepla.

Rozsah použití

Aby vědci prakticky aplikovali Peltierův prvek, provedli několik experimentů, které ukázaly, že zvýšení odvodu tepla se dosahuje zvýšením počtu spojů dvou materiálů. Čím větší je počet pájek materiálů, tím vyšší je účinek. V našich životech takový prvek častěji slouží k chlazení elektronických zařízení a ke snížení teploty v mikroobvodech.

Zde jsou některé z jejich oblastí použití:

• Přístroje pro noční vidění.
• Digitální fotoaparáty, komunikační zařízení, mikroobvody, které vyžadují vysoce kvalitní chlazení pro dosažení nejlepšího obrazového efektu.
• Chlazené dalekohledy.
• Kondicionéry.
• Přesné chladicí systémy hodin pro quartzové elektrické generátory.
• Ledničky.
• Vodní chladiče.
• Autochladničky.
• Video karty.

Peltierovy články se často používají v chladicích a klimatizačních systémech. Je možné dosáhnout poměrně nízkých teplot, což otevírá možnost jejich použití pro chlazení zařízení se zvýšeným ohřevem.

V současné době specialisté používají Peltierovy články v akustických systémech, které fungují jako chladič. Peltierovy články nevydávají žádné zvuky, takže jednou z jejich výhod je tichost. Tato technologie se stala populární díky svému silnému tepelnému výkonu. Články vyrobené pomocí moderních technologií mají kompaktní rozměry a chladicí radiátory si dlouhodobě udržují určitou teplotu.

Výhodou prvků je jejich dlouhá životnost, protože jsou vyrobeny ve formě monolitického tělesa, poruchy jsou nepravděpodobné. Jednoduchá konstrukce obvyklého široce používaného typu je jednoduchá, skládá se ze dvou měděných drátů s koncovkami a dráty, keramická izolace.

Toto je krátký výčet oblastí použití. Rozšiřují ho domácí spotřebiče, počítače, automobily. Lze zaznamenat použití Peltierových článků při chlazení vysoce výkonných mikroprocesorů. Dříve se v nich instalovaly pouze ventilátory. Nyní, při instalaci modulu s Peltierovými články, se hluk při provozu zařízení výrazně snížil.

Budou chladicí schémata v konvenčních ledničkách nahrazena schématy využívajícími Peltierův jev? Dnes je to nepravděpodobné, protože tyto prvky mají nízkou účinnost. Jejich cena také neumožňuje jejich použití v ledničkách, jelikož je poměrně vysoká. Budoucnost ukáže, jak moc se tento směr bude rozvíjet. Dnes se provádějí experimenty s pevnými roztoky, které mají podobnou strukturu a vlastnosti. Při jejich použití se může cena chladicího modulu snížit.

Opačný efekt Peltierových článků

Tento typ technologie má jednu zajímavou vlastnost. Spočívá v efektu tvorby elektrického proudu ochlazováním a ohřevem desky Peltierova modulu. Jinými slovy, slouží jako generátor elektrické energie s opačným účinkem.

Takové generátory elektřiny existují čistě teoreticky, ale můžeme doufat v budoucí vývoj v tomto směru. Francouzský vynálezce tehdy pro svůj objev nenašel využití.

Dnes se tento termoelektrický jev široce využívá v elektronice. Hranice použití se neustále rozšiřují, což potvrzují zprávy a experimenty výzkumníků a vědců. V budoucnu budou mít domácí a elektronické spotřebiče dokonalé inovační schopnosti. Ledničky se stanou tichými, stejně jako počítače. Mezitím se Peltierovy moduly montují do různých obvodů pro chlazení rádiových součástek.

Mezi výhody Peltierových článků patří následující fakta:

• Kompaktní tělo prvků umožňuje jejich montáž na desku s rádiovými součástkami.
• Neobsahuje žádné pohyblivé ani třecí části, což prodlužuje jeho životnost.
• Umožňuje zapojení více prvků do jedné kaskády, dle schématu, které umožňuje snížit teplotu velmi horkých částí.
• Když se změní polarita napájecího napětí, prvek bude fungovat v opačném pořadí, to znamená, že chladicí a topná strana si vymění místa.

Následující body lze nazvat nevýhodami:

• Nedostatečný faktor účinnosti pro zvýšení dodávaného proudu k dosažení požadovaného teplotního rozdílu.
• Poměrně složitý systém odvodu tepla z chladicího povrchu.

Jak vyrobit Peltierovy články pro ledničku

Takové Peltierovy články si můžete vyrobit sami rychle a snadno. Nejprve se musíte rozhodnout pro materiál desek. Musíte vzít desky z článků vyrobených z odolné keramiky a připravit vodiče v množství více než 20 kusů, abyste zajistili co největší teplotní rozdíl. S dostatečným počtem účinných článků dojde k výraznému zvýšení výkonu chladničky.

Výkon použité chladničky hraje hlavní roli. Pokud pracuje na kapalný freon, pak s produktivitou nebudou žádné problémy. Desky prvků jsou namontovány v blízkosti výparníku, namontovány společně s motorem. Pro takovou instalaci bude potřeba určitá sada těsnění a nástrojů. Tím bude zajištěno rychlé ochlazení spodní části chladničky.

Vodiče je nutné pečlivě izolovat, teprve poté jsou připojeny ke kompresoru. Po dokončení instalace je třeba zkontrolovat napětí multimetrem. Pokud prvky nefungují (například zkrat), termostat bude fungovat.

Další aplikace termoelektrických modulů

Peltierův modulový jev se dnes používá díky fyzikálním zákonům. Přebytečná energie prvků se vždy hodí tam, kde je potřeba tichá a rychlá výměna tepla.

Hlavní oblasti použití modulů:

• Chlazení mikroprocesorů.
• Spalovací motory produkují výfukové plyny, které vědci začali využívat k výrobě pomocné energie pomocí termoelektrických modulů. Takto získaná energie se přivádí zpět do motoru ve formě elektřiny. To vede k úsporám paliva.
• V domácích spotřebičích, které slouží k ohřevu nebo chlazení.

Chladič lze přeměnit na ohřívač a ledničku lze použít jako topnou skříň, pokud se obrátí polarita stejnosměrného proudu. Tomu se říká reverzibilní jev.

Tento princip se používá v rekuperátorech. Skládá se ze skříně se dvěma komorami. Ty jsou vzájemně propojeny ventilátorem. Peltierovy články ohřívají studený vzduch přicházející zvenčí pomocí energie odebrané z teplého vzduchu v místnosti. Takové zařízení šetří náklady na vytápění.

Související témata:

• Termistory. Typy a zařízení. Funkce a parametry
• Tepelná relé. Typy a zařízení. Provoz a aplikace
• Vlastnosti polovodičů. Zařízení a provoz. Aplikace
• Seebeckův jev. Funkce a použití. Vlastnosti a zařízení
• Pyroelektřina. Vzhled a použití. Vlastnosti
• Chladiče. Typy a použití. Jak vybrat a jaké jsou jejich vlastnosti