Peltier-elementti on lämpösähköinen muunnin , jonka toimintaperiaate perustuu Peltier-ilmiöön - lämpötilaeron esiintymiseen sähkövirran kulkiessa. Englanninkielisessä kirjallisuudessa Peltier-elementtejä kutsutaan nimellä TEC ( englanniksi. T hermo e lectric C ooler - thermoelectric cooler).
Peltier-ilmiön käänteistä vaikutusta kutsutaan Seebeckin efektiksi .
Peltier-elementtien toiminta perustuu kahden eritasoisen elektronienergian omaavan puolijohdemateriaalin kosketukseen johtavuuskaistalla. Kun virta kulkee tällaisten materiaalien kosketuksen läpi, elektronin on hankittava energiaa siirtyäkseen toisen puolijohteen korkeamman energian johtavuuskaistalle . Kun tämä energia imeytyy, puolijohteiden kosketuspiste jäähtyy. Kun virta kulkee vastakkaiseen suuntaan, puolijohteiden kosketuskohta kuumenee tavanomaisen lämpövaikutuksen lisäksi.
Kun metallit joutuvat kosketuksiin , Peltier-ilmiö on niin pieni, että se on näkymätön ohmisen kuumenemisen ja lämmönjohtavuusilmiöiden taustalla . Siksi käytännön sovelluksissa käytetään kahden puolijohteen kosketusta.
Peltier-elementti koostuu yhdestä tai useammasta pienten puolijohteisten suuntaissärmiöiden parista - yhdestä n-tyypin ja yhden p-tyypin parista (yleensä vismuttitelluridi Bi 2 Te 3 ja SiGe solid liuos ), jotka on yhdistetty pareittain metallisilla jumpperien avulla. Metalliset jumpperit toimivat samanaikaisesti lämpökoskettimina ja ne on eristetty johtamattomalla kalvolla tai keraamisella levyllä. Suuntaissärmiöiden parit on kytketty siten, että muodostuu useiden puolijohdeparien sarjakytkentä, joilla on eri johtavuus, niin että ylhäällä on yksi kytkentäsarja (n->p), ja alaosassa - vastapäätä (p->n). Sähkövirta kulkee peräkkäin kaikkien suuntaissärmiöiden läpi. Virran suunnasta riippuen yläkoskettimet jäähtyvät ja alakoskettimet lämpenevät tai päinvastoin. Sähkövirta siirtää siten lämpöä Peltier-elementin toiselta puolelta toiselle puolelle ja synnyttää lämpötilaeron.
Jos jäähdytät Peltier-elementin lämmityspuolen esimerkiksi jäähdyttimellä ja tuulettimella , kylmäpuolen lämpötila laskee entisestään. Yksivaiheisissa kennoissa lämpötilaero voi olla kennotyypistä ja virran suuruudesta riippuen jopa noin 70 °C.
Peltier-elementin etuna on pieni koko, liikkuvien osien sekä kaasujen ja nesteiden puuttuminen. Kun virran suunta on käänteinen, sekä jäähdytys että lämmitys ovat mahdollisia - tämä mahdollistaa lämpötilan säätämisen ympäristön lämpötilassa sekä lämpötilansäätölämpötilan ylä- että alapuolella . Toinen etu on melun puute.
Peltier-elementin haittana on freonkompressorijäähdytysyksiköitä alhaisempi hyötysuhde, mikä johtaa suureen virrankulutukseen huomattavan lämpötilaeron saavuttamiseksi. Tästä huolimatta lämpötehokkuutta kehitetään ja Peltier-elementtejä käytetään laajasti tekniikassa, koska alle 0 °C:n lämpötilat voidaan toteuttaa ilman lisälaitteita.
Suurin ongelma korkean hyötysuhteen Peltier-elementtien rakentamisessa on, että aineen vapaat elektronit ovat sekä sähkövirran että lämmön kantajia. Peltier-elementin materiaalilla tulee olla samanaikaisesti kaksi toisensa poissulkevaa ominaisuutta - se on hyvä johtaa sähkövirtaa, mutta on huono johtaa lämpöä.
Peltier-elementtien akuissa [1] on mahdollista saavuttaa suurempi lämpötilaero, mutta jäähdytysteho on pienempi. Lämpötilan vakauttamiseksi on parempi käyttää hakkurivirtalähdettä, koska se lisää järjestelmän tehokkuutta. Samanaikaisesti on toivottavaa tasoittaa virran aaltoilua - tämä lisää elementin tehokkuutta ja mahdollisesti pidentää sen käyttöikää. Myös Peltier-elementin toiminta on tehotonta, jos yrität stabiloida lämpötilaa virran pulssinleveysmodulaatiolla .
Peltier-elementtejä käytetään tilanteissa, joissa tarvitaan jäähdytystä pienellä lämpötilaerolla tai jäähdyttimen energiatehokkuudella ei ole merkitystä. Peltier-elementtejä käytetään esimerkiksi PCR-vahvistimissa , pienautojen jääkaapeissa , ravintola-alalla käytettävissä jäähdytetyissä juhlavaunuissa, koska kompressorijäähdytysyksikön käyttö on tässä tapauksessa mahdotonta tai epäkäytännöllistä kokonaisrajoitusten ja lisäksi tarvittavan jäähdytyksen vuoksi. kapasiteetti on pieni.
Lisäksi Peltier-elementtejä käytetään digitaalikameroiden latauskytkettyjen laitteiden jäähdyttämiseen. Tämän ansiosta lämpökohina vähenee huomattavasti pitkillä valotuksilla (esimerkiksi astrovalokuvauksessa). Monivaiheisia Peltier-elementtejä käytetään infrapuna -antureiden säteilyvastaanottimien jäähdyttämiseen (esimerkiksi ilmapuolustusohjuksissa, MANPADS "Javelin", amerikkalaisen tuotannon "Stinger" jne.).
Peltier-elementtejä käytetään usein myös diodilaserien jäähdytykseen ja lämpötilan säätöön emitterin lämpötilan stabiloimiseksi ja säteilyn aallonpituuden vuoksi .
Laitteissa, joissa jäähdytysteho on alhainen, Peltier-elementtejä käytetään usein toisena tai kolmantena jäähdytysvaiheena. Tämä mahdollistaa 30-40 astetta alhaisemmat lämpötilat kuin perinteisillä kompressiojäähdyttimillä (jopa -80 °C yksivaiheisissa jääkaapeissa ja jopa -120 °C kaksivaiheisissa jääkaapeissa).
Jotkut harrastajat käyttävät Peltier-moduulia prosessorien jäähdyttämiseen, kun he tarvitsevat äärimmäistä typetöntä jäähdytystä. [2] [3] Tätä menetelmää käytettiin ennen typpijäähdytystä.
" Peltier -voimageneraattori" (oikeammin se olisi "Seebeck-generaattori", mutta virheellinen nimi on ratkennut) - moduuli sähkön tuottamiseen, lämpösähköinen generaattorimoduuli, lyhenne GM, TGM. Tämä lämpögeneraattori koostuu kahdesta pääosasta:
Peltier-jäähdyttimiä on käytetty myös sähköisten tasavirtakaappien ja muiden DC-laitteiden jäähdytyslaitteissa sekä jäähdytyslaitteissa, joissa kompaktit kokonaismitat, tilasuuntautumattomuus ja huollon puute ovat ratkaisevia.