Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье.

[holodilshik.livejournal.com]

Оригинал взят у holodilshik в Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье.

Предлагаю посмотреть два небольших видеоролика.
Возможно, некоторые из вас уже встречали их в сети. Подобные устройства применяются в компьютерной технике.
Однако, давайте ниже поговорим чуть подробней о физической природе этого явления. Такие небольшие охлаждающие устройства интересны тем, что в их принцип действия базируется на конкретном физическом эффекте.

Ролик 1

Ролик 2

В основе этих устройств лежит эффект Пельтье.

Это физическое явление было открыто в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье, часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в честь первооткрывателя - эффект Пельтье. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.
Выделение тепла при воздействии электричества было к тому времени уже известно и понятно, а вот выделение холода было непонятно и не изучено.

Тогда попытки использовать эффект для получения низких температур не имели успеха, поскольку не получилось получить высокую величину ЭДС. Поэтому о эффекте Пельтье забыли на больше, чем сотню лет.
Проблема была решена с заменой проводников на полупроводники, у которых он более заметен. В 30-е годы 20 века наш соотечественник академик А.Ф.Иоффе предложил и показал способность полупроводников обеспечить достаточную эффективность процесса.

Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека, более известному как термоэлектрический эффект.

Эффект Пельтье обратим. Это мы видим на ролике 2. Если сменить полярность, то контакт, который был до этого горячим станет холодным и наоборот.

Как я уже писал выше, если использовать в качестве проводников благородные металлы, то то максимальная разница температур, которую можно выжать между двумя точками, будет не выше 3 К. Поэтому для получения большей разницы температур стали использовать сочетания материалов - полупроводников, электрическая проводимость, которых заключена между проводимостью чистого металла, например такого как медь. При пропускании постоянного тока на одном полупроводнике будет выделяться тепло, на другом тепло будет поглощаться. Такие однокаскадные установки позволяют получить максимально снижение температуры на 70...75 К.
Дальнейшее понижение температуры возможно только каскадным соединением термоэлементов.
Благодаря этого удалось добиться: более глубокого охлаждения, повысить эффективность процесса охлаждения, снизить габариты низкотемпературных установок.
Чтобы получить достаточную холодпроизводительность, не увеличивая слишком сильно электрический ток, последовательно соединяют элементы Пельтье в батареи.

Батарея Пельтье


Источник: http://podberi-holodilnik.ru/aimg/content/c90791135f6df6227ac4e26cd52e7fd9e7d55e76.gif

Преимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:
- отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;
- отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей);
- небольшие размеры;
- возможность непрерывно регулировать производительность в любых пределах.

Но недостатки крайне сильно ограничили применение таких устройств нишевыми продуктами:
- малый КПД (COP), ниже парокомпрессионных фреоновых установок;
- низкая холодпроизводительность;
- высокая стоимость.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье при этом должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами - хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.Что на практике сложно достижимо.

НА сегодня, такие охладители нашли применение в фототехнике, приборах ночного видения, телескопах. Также применяются в системах охлаждения компьютерной техники, автомобильных холодильниках.
Возможно использование новых материалов откроет новые возможности для применения подобных систем и установок. Наиболее перспективно на данный момент применение в охлаждении компьютерных систем.

Если внимательно смотреть ролик можно увидеть обозначение TEC - это сокращение от английского Thermoelectric Cooler, что обозначает термоэлектрический охладитель, так еще называют элементы Пельтье.

Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.

Также холодильники на основе эффекта Пельтье применяются в космосе. Более подробно можно почитать в статье Космические холодильники.

Comments

[prostak-1982.livejournal.com]

Я в свое время до чисто бытового применения этого эффекта додумался.
Может помните, одно время была реклама депилятора с контейнером. В контейнер клался кусочек льда, который вроде как примораживал нервные окончания на коже, тем самым делая процедуру менее болезненной.
Подумал я, подумал. А нам, как раз, тогда по физике про этот эффект читали. Вот и возникла идейка, что если изготовить такую пластину, запаянную в тонкую резиновую мембрану, чтобы током не ударило. Почитал, по идее, должно было сработать. Но кому такое предложить, тогда не знал, а потом забыл. Вот вы сейчас выложили статью, я и вспомнил, про свою идею.

[holodilshik.livejournal.com]

Как вариант весьма интересно для косметологии. Они используют для омолаживания холод. Конструктивно устройство довольно простое.

[prostak-1982.livejournal.com]

Да, теперь бы найти, кому продать идею... )))

[e-maksimov.livejournal.com]

Проблема в низкой эффективности элементов Пельте, надо будет как-то принудительно охлаждать горячую сторону элемента. Проще сразу охлаждать кожу :)

[ed-jan-lt.livejournal.com]

А куда вы на этой пластине тепло будете девать? Одно дело когда во время демонстрации этого фокуса пластину плотно прикрепляют к массивной металлической поверхности, которая быстро поглощает тепло, почти не нагреваясь при этом, и совсем другое дело, когда нагретая поверхность охлаждается лишь свободно текущим воздухом.

[vladikoms.livejournal.com]

Интересно - насколько они долговечны? Т.е. какой срок службы у таких элементов? Ведь есть множество ответственных устройств, где используется либо водяное, либо воздушное охлаждение. Водяное наверное не заменят, а вот если принудительное воздушное заменить? КПД в угоду надежности можно пожертвовать

[holodilshik.livejournal.com]

Србственно они и применяются сейчас там, где необходимо пожертвовать КПД в угоду размерам или использование других типов охлаждения имеет ограничения.
По сроку жизни: ломаться там практически нечему. Зависит от производителя, сферы использования. По идее от 1 года до 10-ков лет.

[dimon-w.livejournal.com]

Долговечны, десятки лет, но требуют принудительное воздушное или водяное охлаждение горячей стороны, а оно недолговечно и требует обслуживания. Смысл в их применении есть только если требуется точно поддерживать температуру объекта, или требуется температура ниже чем температура окружающей среды.

[livejournal.livejournal.com]

Здравствуйте! Ваша запись попала в топ-25 популярных записей LiveJournal северного региона (http://www.livejournal.com/?rating=ru_north). Подробнее о рейтинге читайте в Справке (https://www.dreamwidth.org/support/faqbrowse?faqid=303).

[denisty.livejournal.com]

Горячая сторона элемента очень сильно нагревается. Надо как-то отводить тепло.

[adalez.livejournal.com]

Радиатор (подсказка)

Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье.

[livejournal.livejournal.com]

Пользователь azazimko сослался на вашу запись в своей записи «Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье. (http://azazimko.livejournal.com/468733.html)» в контексте: [...] нал взят у в Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье. [...]

[jr0.livejournal.com]

>Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.

Первая ссылка гугль:
http://www.kelk.co.jp/english/useful/netsuden4.html

Наверняка не лидеры, а быстро перенявшие моду.

[holodilshik.livejournal.com]

Ну вот недоверяете вы нашим инженерам и специалистам.
Сссылка на кондиционер на базе эффекта Пельтье.
Наши занимались в основном холодильниками и низкотемпературными установками. Пытались применять в бытовых холодильниках элементы Пельтье. Это отмечено даже в иностранной литературе по холодильной технике.

Peltier elements and компьютерные процессоры

[anonym-mouse.livejournal.com]

Такую херомантию пытались громоздить на
компьютерные процессоры - дабы избежать
вентиляторов и т.д.

Они работают, но проблемой является влага
в воздухе.

Я в свое время хотел на e-bay купить пару
пелтье-элементов и засунуть их в мой комп.

[marian-baidek.livejournal.com]

Какой ток нужен для питания эл.П.?
Если это будут амперы, то охладитель очень дорогой и ненадежный - рядом будет безумно греться блок питания для эл.П.

[ex0_planet]

амперы и есть, там примерно ватт электричества на каждые полватта перекачиваемого тепла, и все это при низких напряжениях (10-20В).

[photoandrey.livejournal.com]

т.е. получается, что если у него -15 на одной стороне, то на другой в районе 200... а сколько он жрёт при этом?

[sheric-ru.livejournal.com]

В 93-94 у меня был диплом. В нем свч-приемник ставился на пирамидку из элементов Пельтье. Причем между собой я их спаивал именно подачей обратной полярности.
Таким образом пытались поднять чувствительность приемника.
В итоге сломался единственный в институте анализатор ачх (не помню) и посмотреть эффект во всех подробностях не удалось.

[http://users.livejournal.com/_mebius_/]

...Я всегда думал что применение элементов Пельтье в бытовухе это безперспективно
Вот термостабилизация лазерных кристаллов - другое дело. Когда кристалл расположен непосредственно на модуле Пельтье - все отлично. И энерционность системы маленькая и токи там небольшие. А вот если охлаждать весь лазерный модуль - корпус и внутренности - тогда начинается ужас. Там и токи ломовые, и энерционность большая, и конденсат, и еще куча проблем.

[avotara.livejournal.com]

Когда впервой услышал о кулерах Пельтье для процессора Первый вопрос у меня возник: до какой температуры можно нагреть горячий спай? - ответ: около 60 градусов. Второй вопрос: назачем они тогда нужны если процессор можно греть до той-же температуры?
Теперь появился еще 1 вопрос: работают ли они генераторным способом, т.е. можно ли сбрасывать часть тепла на дропоут резистор.

[lkinar.livejournal.com]

Слыхал. Только вот не нашли они применения в компьютерной отрасли. Интересно, почему? Почему предпочли водяное охлаждение? Видимо, дорогие элементики, нерентабельно.

[engineergena.livejournal.com]

Есть еще одна очень важная область применения - ПЦР-амплификаторы. Там они давно вытеснили все альтернативные технологии.

[dr-yui.livejournal.com]

Я ничего не понимаю в инженерном деле, но меня постоянно мучает вопрос: зачем куда-то отводить избыточное тепло, если из него можно снова сделать электричество?

[holodilshik.livejournal.com]

А куда потом это электричество девать? Это тоже проблема.