Chladicí zařízení a chladicí jednotky jsou v každodenním životě nepostradatelné. Standardní volně ložená chladiva však nejsou vhodná pro mobilní použití, například v chladicích nákupních taškách. V takových případech se používají zařízení založená na Peltierově jevu, kterým se budeme podrobně věnovat v tomto materiálu.
Peltierův prvek nebo termoelektrický chladič je založen na termočlánku složeném ze dvou prvků s vodivostí typu p a n, které jsou spojeny měděnou spínací deskou. Součástky jsou ve většině případů vyrobeny z vizmutu, telluru, antimonu a selenu. Taková zařízení se používají v chladicích systémech pro domácnosti a mají také tendenci vyrábět energii.
Obsah
Co to je
Peltierův jev a termín odkazuje na objev, který v roce 1834 učinil francouzský vědec Jean-Charles Peltier. Podstatou tohoto objevu je, že v oblasti, kde se dotýkají dva různě orientované vodiče a protéká jimi elektrický proud, neustále vzniká nebo se pohlcuje teplo.
Klasická teorie vysvětluje tento jev takto: elektrony se přenášejí mezi kovy pomocí elektrického proudu, urychleného nebo zpomaleného v závislosti na rozdílu kontaktních potenciálů na kovových vodičích s různými úrovněmi vodivosti. Peltierovy prvky tak přispívají k přeměně kinetické energie na tepelnou.
U druhého vodiče dochází k opačnému efektu, kdy je na základě základního fyzikálního zákona nutné doplňování energie. To je způsobeno procesem tepelných oscilací, které způsobují ochlazování kovu druhého vodiče.
Peltierův modul s maximálním termoelektrickým účinkem lze vyrobit pomocí moderní technologie.
Konstrukce a princip činnosti
Moderní Peltierovy moduly mají konstrukci, v níž jsou dvě izolační desky, mezi nimiž jsou v přísném sledu zapojeny termočlánky. Pro lepší pochopení funkce tohoto prvku je na obrázku znázorněno standardní schéma.
Označení prvků:
- A - kontakty, kterými se provádí připojení k napájení;
- B - horká strana;
- C - studená strana;
- D - měděné vodiče;
- E - polovodič s p-přechodem;
- F - polovodič typu n.
Prvek je vyroben tak, aby se oba povrchy dotýkaly p-n nebo n-p přechodů podle polarity. Kontakty p-n se zahřívají a teplota n-p se snižuje. Výsledkem je teplotní rozdíl DT na koncích prvku. Tento efekt znamená, že tepelná energie, která se pohybuje mezi prvky modulu, reguluje teplotní režim v závislosti na polaritě. Je třeba také poznamenat, že pokud se polarita obrátí, změní se horký a studený povrch.
Technické vlastnosti
Technické parametry Peltierova prvku nabývají následujících hodnot:
- Chladicí výkon (Qmax) - vypočtený na základě mezního proudu a rozdílu teplot mezi konci modulu. Měrnou jednotkou je watt;
- mezní teplotní rozdíl (DTmax) - měří se ve stupních, tato charakteristika se udává pro optimální podmínky;
- Imax - mezní síla elektrického proudu potřebná k dosažení většího rozdílu teplot;
- Umax je maximální napětí Umax potřebné pro elektrický proud Imax k dosažení maximálního teplotního rozdílu DTmax;
- Odpor - vnitřní odpor zařízení měřený v ohmech;
- POR je faktor účinnosti nebo účinnost Peltierova modulu, který vyjadřuje poměr chladicího výkonu a spotřeby chladicího výkonu. V závislosti na vlastnostech zařízení se tato hodnota pohybuje mezi 0,3 a 0,35 u levných zařízení, zatímco u dražších modelů dosahuje až 0,5.
Výhodou mobilního Peltierova prvku jsou jeho malé rozměry, reverzibilita procesu a možnost použití jako přenosného generátoru energie nebo chladničky.
Nevýhodou modulu jsou vysoké náklady, nízká účinnost kolem 3 %, vysoké náklady na energii a nutnost neustále udržovat teplotní rozdíl.
Aplikace
I s ohledem na nízkou účinnost se desky Peltierových modulů hojně používají v měřicích a výpočetních zařízeních i v přenosných domácích spotřebičích. Zde je seznam zařízení, jejichž nedílnou součástí jsou modely:
- přenosné chladicí jednotky;
- malé generátory elektrické energie;
- chladicí jednotky v počítačích a noteboocích;
- chladiče pro ohřev a chlazení pitné vody;
- odvlhčovače.
Jak se připojit
Peltierův modul můžete připojit sami a je to rychlý a snadný proces. Stejnosměrné napětí musí být přivedeno na výstupní kontakty podle návodu k obsluze přístroje. Červený vodič je připojen k plusu a černý k mínusu. Všimněte si, že obrácením polarity se ohřívané a chlazené plochy obrátí.
Před připojením prvku je vhodné zkontrolovat jeho funkci. Jednoduchým a spolehlivým způsobem testování jednotky je hmatová metoda: připojte jednotku ke zdroji elektrického proudu a dotkněte se různých kontaktů. U správně fungující jednotky budou některé kontakty teplé a jiné chladné.
Kontrolu je možné provést také pomocí multimetru a zapalovače. Za tímto účelem připojte sondy ke kontaktům přístroje, podržte zapalovač na jedné straně a sledujte údaje multimetru. Pokud Peltierův prvek pracuje ve standardním režimu, vzniká při ohřevu na jedné straně elektrický proud a na displeji multimetru se zobrazí údaj o napětí.
Jak vyrobit Peltierův prvek vlastníma rukama
Peltierův prvek není možné vyrobit doma kvůli jeho nízké ceně a potřebě speciálních znalostí k vytvoření funkčního prvku. Vlastními silami je však možné postavit účinný mobilní termoelektrický generátor, který se bude hodit na chalupě nebo při kempování.
Pro stabilizaci elektrického napětí je třeba sestavit vlastní standardní převodník na integrovaném obvodu L6920. Vstupní napětí musí být 0,8-5,5 V a výstupní napětí bude 5 V, což je dostatečné pro nabíjení baterie mobilních zařízení ve standardním režimu. Pokud je použito standardní elektronické Peltierovo zařízení, je požadována mezní povrchová teplota 150 stupňů. Pro snadnou regulaci teploty je vhodné použít hrnec s vařící vodou, pak se model nezahřeje nad 100 stupňů.
Peltierovy desky se hojně používají k chlazení moderních domácích spotřebičů, v klimatizacích, účinnost zařízení byla prokázána zejména při stabilizaci tepelného režimu a chlazení výkonného procesoru. Peltierovy prvky se často používají k výrobě účinných mobilních chladniček pro letní chaty nebo automobily nebo k napájení domácích chladičů. Vzhledem k reverzibilitě procesu se domácí prvky používají jako mobilní malé elektrárny v oblastech bez zdroje elektrické energie.
Související články:
