Kylmälaitteet ja jäähdytysyksiköt ovat välttämättömiä jokapäiväisessä elämässä. Vakiomalliset kylmäainepohjaiset irtotavaramallit eivät kuitenkaan sovellu liikkuvaan käyttöön, esimerkiksi jäähdytettyihin ostoskasseihin. Tällaisissa tapauksissa käytetään Peltier-ilmiöön perustuvia laitteita, joita käsittelemme yksityiskohtaisesti tässä aineistossa.
Peltier-elementti tai termosähköinen jäähdytin perustuu lämpöpariin, joka koostuu kahdesta p- ja n-tyypin johtokykyisestä elementistä, jotka on liitetty toisiinsa kuparikytkentälevyllä. Osat on useimmiten valmistettu vismutista, telluurista, antimonista ja seleenistä. Tällaisia laitteita käytetään kotitalouksien jäähdytysjärjestelmissä, ja niillä on myös taipumus tuottaa energiaa.
Sisältö
Mikä se on
Peltier-ilmiö ja termi viittaa ranskalaisen tiedemiehen Jean-Charles Peltierin vuonna 1834 tekemään löytöön. Löydön ydin on se, että lämpöä syntyy tai absorboituu jatkuvasti alueella, jossa kaksi erisuuntaista johdinta on kosketuksissa ja jossa niiden läpi kulkee sähkövirta.
Klassinen teoria selittää ilmiön näin: elektronit siirtyvät metallien välillä sähkövirran avulla, joka kiihtyy tai hidastuu riippuen eri johtavuustasoilla olevien metallijohtimien kosketuspotentiaalierosta. Peltier-elementit edistävät siten liike-energian muuntamista lämpöenergiaksi.
Toisessa johtimessa tapahtuu päinvastainen vaikutus, jolloin fysiikan peruslakiin perustuva energian täydennys on tarpeen. Tämä johtuu lämpövärähtelyprosessista, joka saa toisen johtimen metallin jäähtymään.
Nykyaikaisella tekniikalla voidaan valmistaa Peltier-moduuli, jonka lämpösähköinen vaikutus on mahdollisimman suuri.
Rakenne ja toimintaperiaate
Nykyaikaisissa Peltier-moduuleissa on kaksi eristelevyä, joiden välissä on lämpöparit kytketty tiukassa järjestyksessä. Jotta tämän elementin toimintaa voitaisiin ymmärtää paremmin, kuvassa on esitetty vakiokaavio.
Elementtien nimitys:
- A - koskettimet, joiden avulla yhteys virtalähteeseen tehdään;
- B - kuuma puoli;
- C - kylmä puoli;
- D - kuparijohtimet;
- E - p-liitoksen puolijohde;
- F - n-tyypin puolijohde.
Elementti valmistetaan siten, että molemmat pinnat ovat kosketuksissa p-n- tai n-p-liitosten kanssa napaisuuden mukaan. P-n-kontaktit kuumenevat ja n-p-lämpötila laskee. Tämä johtaa DT:n lämpötilaeroon elementin päissä. Tämä vaikutus tarkoittaa sitä, että moduulin elementtien välillä liikkuva lämpöenergia säätelee lämpötilaa napaisuudesta riippuen. On myös huomattava, että jos napaisuus käännetään, kuuma ja kylmä pinta vaihtuvat.
Tekniset ominaisuudet
Peltier-elementin tekniset parametrit ovat seuraavat:
- Jäähdytysteho (Qmax) - lasketaan virtarajan ja moduulin päiden välisen lämpötilaeron perusteella. Mittayksikkö on watti;
- lämpötilaerorajoitus (DTmax) - mitattuna asteina, tämä ominaisuus on annettu optimiolosuhteita varten;
- Imax - suuremman lämpötilaeron saavuttamiseksi tarvittavan sähkövirran rajavoima;
- Umax on maksimijännite Umax, joka tarvitaan sähkövirran Imax aiheuttamaan maksimilämpötilaeroon DTmax;
- Resistanssi - laitteen sisäinen resistanssi, mitattuna ohmeina;
- POR on hyötysuhdekerroin tai Peltier-moduulin hyötysuhde, joka kuvastaa jäähdytystehon suhdetta jäähdytystehon kulutukseen. Laitteen ominaisuuksista riippuen luku on 0,3-0,35 edullisissa laitteissa ja jopa 0,5 kalliimmissa malleissa.
Siirrettävän Peltier-elementin etuja ovat sen pieni koko, prosessin palautuvuus ja mahdollisuus käyttää sitä kannettavana energiageneraattorina tai jääkaappina.
Moduulin haittapuolina ovat korkeat kustannukset, alhainen hyötysuhde (noin 3 %), korkeat energiakustannukset ja tarve ylläpitää lämpötilaeroa jatkuvasti.
Hakemus
Huolimatta alhaisesta hyötysuhteesta Peltier-moduulilevyjä käytetään laajalti mittaus- ja laskentalaitteissa sekä kannettavissa kodinkoneissa. Tässä on luettelo laitteista, joissa mallit ovat olennainen osa:
- kannettavat jäähdytyslaitteet;
- pienet sähkögeneraattorit;
- tietokoneiden ja kannettavien tietokoneiden jäähdytysyksiköt;
- jäähdyttimet juomaveden lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen;
- ilmankuivaimet.
Kuinka yhdistää
Peltier-moduulin voi kytkeä itse, ja se on nopea ja helppo prosessi. Tasajännite on syötettävä lähtökoskettimiin yksikön käyttöohjeissa määritellyllä tavalla. Punainen johto kytketään plussaan ja musta johto miinukseen. Huomaa, että napaisuuden kääntäminen kääntää lämmitetyt ja jäähdytetyt pinnat päinvastaisiksi.
On suositeltavaa tarkistaa elementin toiminta ennen sen kytkemistä. Yksi yksinkertainen ja luotettava tapa testata laite on tuntopainallusmenetelmä: kytke laite sähkövirtalähteeseen ja kosketa eri koskettimia. Oikein toimivassa yksikössä osa koskettimista on lämpimiä ja osa viileitä.
Se voidaan tarkistaa myös yleismittarilla ja sytyttimellä. Kytke anturit laitteen koskettimiin, pidä sytytintä sivussa ja tarkkaile yleismittarin lukemaa. Jos Peltier-elementti toimii vakiotilassa, lämmitysprosessi tuottaa sähkövirran toiselle puolelle ja jännitelukema näkyy yleismittarin näytöllä.
Kuinka tehdä Peltier-elementti omin käsin
Peltier-elementtiä ei ole mahdollista valmistaa kotona, koska sen hinta on alhainen ja koska toimivan elementin valmistaminen vaatii erityisosaamista. On kuitenkin mahdollista rakentaa omin käsin tehokas siirrettävä lämpösähkögeneraattori, joka on kätevä maalaistalossa tai retkeilyssä.
Sähköjännitteen vakauttamiseksi sinun on rakennettava oma vakiomuuntimesi L6920 IC:lle. Syöttöjännite on 0,8-5,5 V, ja lähtöjännite on 5 V, mikä riittää mobiililaitteiden akun lataamiseen vakiotilassa. Jos käytetään tavallista elektronista Peltier-laitetta, pintalämpötilan raja-arvo on 150 astetta. Lämpötilan hallinnan helpottamiseksi on suositeltavaa käyttää kiehuvaa vettä sisältävää kattilaa, jolloin malli ei kuumene yli 100 asteen.
Peltier-levyjä käytetään laajalti nykyaikaisten kodinkoneiden jäähdyttämiseen ilmastointilaitteissa, ja laitteen tehokkuus on osoitettu erityisesti lämpöjärjestelmän vakauttamisessa ja tehokkaan prosessorin jäähdyttämisessä. Peltier-elementtejä käytetään usein tehokkaiden siirrettävien jääkaappien valmistamiseen kesämökille tai autoihin tai kodin lämpöpatterin käyttämiseen. Prosessin palautuvuuden ansiosta kotitekoisia elementtejä käytetään siirrettävinä pienvoimaloina alueilla, joilla ei ole sähköä.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
