Moduł Peltiera

Moduł Peltiera
Przekrój modułu Peltiera
Budowa modułu Peltiera

Moduł Peltiera (zwany także ogniwem Peltiera) – urządzenie elektryczne wykorzystujące efekt Peltiera do realizacji funkcji chłodzenia.

Typowa budowa

Ogniwo Peltiera jest elementem półprzewodnikowym zbudowanym z dwóch cienkich płytek (ceramika tlenków glinu), pomiędzy którymi znajdują się – dzięki miedzianym ścieżkom na wewnętrznych powierzchniach płytek obudowy ceramicznej – szeregowo ułożone półprzewodniki (naprzemiennie typ p i n) wykonane z tellurku bizmutu domieszkowanego antymonem i selenem[1].

Zasada działania

W strukturze półprzewodnika p występuje niedostateczna liczba elektronów, aby w pełni obsadzić górny poziom energetyczny, natomiast w półprzewodniku n występuje nadmiar elektronów. W momencie przepływu prądu (elektrony płyną od półprzewodnika typu n do p) elektrony stają się ładunkami nadmiarowymi, więc muszą zwiększyć swoją energię kosztem energii cieplnej z otoczenia. Kiedy prąd płynie w odwrotnym kierunku elektrony przechodzą do stanu o niższej energii, co powoduje wydzielenie ciepła, wobec czego jedna ze stron modułu może działać jako chłodnica, a druga jako grzejnik[1].

Ilość odprowadzonego ciepła zależna jest od natężenia płynącego prądu, jednak przepływ prądu przez układ powoduje wydzielanie się ciepła w samym module (w wyniku oporu elektrycznegociepło Joule’a). Przy zwiększeniu natężenia prądu, zwiększa się ilość transportowanego ciepła, ale także ilość ciepła wydzielanego przez moduł. Przy określonym natężeniu zachodzi zrównanie się ilości ciepła powstającego i ciepła transportowanego (będzie to maksymalna wydajność modułu, natomiast po zimnej stronie układu powstanie najniższa możliwa temperatura). Do odprowadzenia powstającego w układzie ciepła może posłużyć radiator, radiator z wentylatorem lub chłodzenie wodą.

Zastosowanie

Ogniwo Peltiera wykorzystywane jest w urządzeniach chłodniczych. Istotną jego cechą jest możliwość regulacji temperatury przekazywanej, w zależności od przyłożonego do układu natężenia prądu elektrycznego, co pozwala na precyzyjne określenie temperatury chłodzenia. Przykładami wykorzystania modułów Peltiera są:

  • przechowywanie i transport tkanek oraz preparatów biologicznych,
  • komory klimatyczne,
  • termocyklery,
  • chłodzenie nagrzewających się elementów elektronicznych, w tym m.in. procesorów i kart graficznych komputerów,
  • chłodzenie generatorów wysokiej mocy,
  • chłodzenie diod laserowych,
  • urządzenia wzorcowe temperatury o wysokiej dokładności (mierniki),
  • termostaty do akwarium i terrarium,
  • przenośne lodówki,
  • komory do przechowywania win,
  • regulacja temperatury w pojazdach[2],
  • inne procesy i urządzenia wymagające precyzyjnej regulacji temperatury.

Wydajność chłodzenia za pomocą ogniw Peltiera może być zwiększona poprzez połączenie dwóch ogniw – po połączeniu strony gorącej jednego modułu ze stroną zimną modułu kolejnego. W zależności od liczby połączonych w ten sposób elementów, można uzyskiwać coraz niższe temperatury, co ograniczone jest tylko maksymalną wydajnością całego układu. Ze względu na wydzielanie ciepła Joule’a przez każde z ogniw, poziom następny musi odprowadzić ciepło przekazywane oraz wytworzone przez poprzednie poziomy, co prowadzi do konieczności łączenia ogniw w strukturę piramidalną oraz zastosowania dodatkowego chłodzenia.

Wady i zalety

ZaletyWady
  • sztywna konstrukcja (wytrzymałość mechaniczna)
  • brak ruchomych elementów w ogniwie
  • brak czynnika chłodzącego
  • ogniwo może mieć dowolny kształt
  • możliwość łączenia kilku ogniw (zwiększenie wydajności)
  • wysoka żywotność (ok. 200 tys. godzin)
  • wymaga wydajnego zasilania (5–40 A)
  • wydziela stosunkowo duże ilości ciepła
    (potrzebuje chłodzenia)
  • łatwo można je uszkodzić zbyt wysokim napięciem
    (ceramikę jak i złącza n-p z)

Zobacz też

Przypisy

  1. a b Thermoelectric_Coolers. TEC Microsystems GmbH, 2012. [dostęp 2012-10-18]. [zarchiwizowane z tego adresu (2012-03-03)].
  2. Roman Pniewski. Wykorzystanie ogniw Peltiera w układach chłodzących pojazdów autobusowych. „Autobusy: technika, eksploatacja, systemy transportowe”, 2016. Instytut Naukowo-Wydawniczy "Spatium" Sp z o.o.. ISSN 1509-5878. 

Linki zewnętrzne

Media użyte na tej stronie

REF new (questionmark).svg
Autor: Sławobóg, Licencja: LGPL
Icon for missing references
Peltier element detail.jpg
Autor: Michael Bemmerl, Licencja: CC BY 3.0 de
A close-up view of a peltier element with 4.7 mm thickness. The friction ridges of a finger can be seen, which can be used for size comparison.
ModułPeltiera2.jpg
Moduł Peltiera
Peltier2.jpg
(c) Ulfbastel, CC-BY-SA-3.0
...
  • andere Versionen: peltier.jpg