Для чего нужны элементы Пельтье? Элементы Пельтье: принцип работы, характеристики, применение

Для чего нужны элементы Пельтье? Элементы Пельтье: принцип работы, характеристики, применение

Количество электронных устройств в мире постоянно растет как снежный ком. Все они потребляют электроэнергию, и людям приходится постоянно возить и носить с собой аккумуляторы или вырабатывать ее на громоздких устройствах. В качестве источников тока не так давно стали применяться модули Пельтье — элементы, образующие электрический ток при создании разности температур на их противоположных сторонах.

1. Укладка одного из ШАБЛОН ПРОКЛАДКИ части на резиновом листе EPDM, аккуратно разметьте положения четырех крепежных отверстий M4, а также большего монтажного отверстия датчика температуры.
2. Удалите часть шаблона из листа EPDM и с помощью подходящих полых штампов вырежьте эти отмеченные отверстия.
3. Выстроить оба ШАБЛОН ПРОКЛАДКИ детали с этими отверстиями с обеих сторон листа EPDM и закрепите их с помощью некоторых нейлоновых болтов M4, надежно закрепив EPDM.
4. С помощью острого ремесленного ножа аккуратно срежьте все доступные EPDM с ШАБЛОН ПРОКЛАДКИ штук, включая центральный квадратный вырез.
5. Снимите нейлоновые зажимные болты, чтобы открыть прокладку из EPDM.

Микроканальные и макроканальные системы охлаждения

Все мощные сборки диодных лазеров, применяемых в аппаратах для лазерной эпиляции, с любой системой охлаждения, микроканальной или макроканальной, охлаждаются только жидкостью. Отличия систем охлаждения лазерных аппаратов в заливаемой жидкости — вода или фреон и пр.

Микроканальная система

Микроканальная система охлаждения диодного лазера весьма эффективно отводит тепло из его рабочей зоны. Охлаждающая жидкость циркулирует в непосредственной близости от рабочей зоны лазерного излучателя. Конструктивная особенность этой системы охлаждения накладывает повышенные требования к качеству и чистоте охлаждающей жидкости.

В качестве охлаждающей жидкости производитель рекомендует только дистиллированную или деионизированную воду . Использование других жидкостей в системе охлаждения не рекомендуется. Для поддержания надлежащего качества охлаждающей жидкости, производитель рекомендует использовать специальные фильтры состоящие из двух картриджей.

Периодичность замены охлаждающей жидкости — 1 раз в месяц.

Срок службы фильтра — 6 месяцев.

Макроканальная система

Макроканальная система охлаждения не столь эффективна. Жидкость циркулирует в «теле» лазерного излучателя. Как правило, она применяется для VCSEL излучателей. Недостатком излучателей изготовленных по технологии VCSEL применяемых в аппаратах для лазерной эпиляции является их большая площадь, относительно DFB-лазеров при той же излучаемой мощности. Для создания необходимой плотности энергии на выходе, используется призма, которая собирает лазерные лучи каждой из многочисленных «матриц» в единый пучок. Она имеет сравнительно большой вес и габариты, что отрицательно сказывается на эргономичности манипулы (размер манипулы, вес, следовательно увеличивается нагрузка на кисть оператора).

Для излучателей с макроканальной системой охлаждения возможно применение антифризов . Это смесь дистиллированной воды и этилен или пропиленгликоля в соотношении 1/3. Температура замерзания такого раствора будет где то -18 ºС. Нам такая температура ни к чему. Убедитесь в этом, прочитав статью «Охлаждение диодного лазера для эпиляции: почему лёд или иней на манипуле — это плохо?»

Температурный режим эксплуатации аппарата не допускает отрицательных температур. Системам, в которых залит антифриз, требуется ежегодное обслуживание или хотя бы проверка состояния антифриза.

При длительной эксплуатации водных растворов этиленгликоля, он постепенно окисляется кислородом воздуха, что приводит к накапливанию в нем различных химических соединений, среди которых имеются и органические кислоты — гликолевая, глиоксалевая, щавелевая и пр., которые понижают рН раствора — подкисляют его.

Расшифровка маркировок

Все термомодули имеют специальную маркировку, содержащую несколько букв и цифр. Данное обозначение легко расшифровывается:

• первые две буквы всегда одинаковы – TE, они указывают на то, что это термоэлемент;
• следующая буква обозначает размер: C – стандартный и S – маленький;
• цифра, стоящая перед дефисом, показывает, сколько слоев в данном модуле;
• первые три цифры после дефиса обозначают количество термопар;
• последние две цифры несут информацию о величине номинального тока в Амперах.

Рассмотрим расшифровку на конкретном примере. На фото представлен термоэлемент стандартного размера с одним каскадом (слоем). Устройство имеет 127 термопар. А величина номинального тока равна 6 Амперам.

Квантовая теория применительно к элементам Пельтье

Термодинамика не позволяет провести точный расчёт, но качественно описывает процесс выбора материалов для элементов Пельтье. Чтобы исправить ситуацию, физики призывают на помощь квантовую теорию. Она оперирует прежними величинами, выраженными через концентрацию свободных носителей заряда, химический потенциал, постоянную Больцмана. Такие теории принято ещё называть кинетическими (или микроскопическими), потому что рассматривается иллюзорный и непознанный мир мельчайших частиц. Среди обозначений встречаются:

1. l – длина свободного пробега носителей заряда. Зависит от температуры. Результат определяется по показателю степени механизма рассеяния электронов r (для атомных решёток это 0; для ионных и температуры ниже дебаевской – 0,5; выше дебаевской – 1; при рассеянии ионами примеси – 2).
2. f – функция распределения Ферми (по энергетическим уровням).
3. x – приведённая кинетическая энергия носителей заряда.

Интегралы функций Ферми занесены в таблицы, их вычисление не представляет сложности. Уравнения микроскопической теории решают относительно коэффициентов термо-ЭДС и электропроводности, что позволяет найти холодильный коэффициент. Эти сложные операции проделаны Б.И. Боком, установившим, что оптимальное значение коэффициента Зеебека находится в интервале между 150 и 400 мкВ/К, но зависит от степени механизма рассеяния. С первого взгляда понятно, что значения у металлов не наблюдаются. В итоге группой физиков под руководством Иоффе показано, что лучший материал для термопар должен удовлетворять ряду условий:

1. Максимальное отношение подвижности носителей к коэффициенту теплопроводности кристаллической решётки.
2. Концентрация носителей согласно формуле, приведённой на рисунке.

В.П. Жузе показывает, какие вещества обладают нужной подвижностью. Их кристаллическая структура посередине между атомной и металлической. Введение примесей в материал всегда понижает подвижность. Этим объясняется факт, что коэффициент термо-ЭДС для сплавов выше, нежели для чистых материалов. Зато примеси увеличивают r. У идеального вещества, не существующего в природе, коэффициент термо-ЭДС должен сохранять постоянное значение, равное 172 мкВ/К. Требуется, чтобы концентрация менялась по закону, указанному на рисунке (см. по п. 2).

Полупроводники отличаются возможностью подобрать материалы, где концентрация носителей заряда зависит от температуры, и отыскать такие, где разница практически равна нулю. За счёт комбинирования указанных качеств возможно попытаться найти самый близкий к идеалу материал.

Криогенное или азотное

Жидкий азот представляет собой прозрачную жидкость, без цвета и запаха, с температурой кипения -196 градусов по Цельсию!

Криогенные системы охлаждения с жидким азотом представляют из себя металлический (чаще всего медный) стакан . Такие стаканы делают в основном для охлаждения процессора и видеокарты. Они, как и радиаторы, плотно закрепляются с охлаждаемым элементом. Далее компьютер запускается и начинает вручную наливаться в стакан/ы азот. В процессе охлаждения он постепенно испаряется, поэтому его постоянно необходимо подливать.

На охлаждении азотом, ставятся все рекорды по разгону железа.

Криогенные установки используются только для экстремального охлаждения.

Плюс у данного вида охлаждения ПК только один — этот способ лучше всего охлаждает.

Остальное — одни минусы. Цена, неудобство, сложность и т.п.

Элементы Пельтье своими руками

Получив теоретические знания о функционировании биметаллического устройства, пора перейти к тому, как сделать элемент Пельтье своими руками. Вот только сначала нужно выбрать нишу его применения. Хотя бы потому, что использовать устройство можно для охлаждения чего-либо, нагрева, или в качестве генератора с целью выработки электроэнергии. Последний вариант предпочтительнее по причине ненужности большого количества исходных материалов, хотя бы потому что многовольтное и высокоамперное устройство изготовить в любом случае сложно, особенно дома, ну а для целей подзарядки чего-либо подойдет и меньший его вариант. Хотя лучше купить готовый элемент Пельтье требуемой мощности с торговых интернет-площадок, чем заниматься его изначальным и достаточно невыгодным изготовлением.

Из диодов и транзисторов

Фактически любой элемент Пельтье представляет собой гирлянду из последовательно соединенных диодов, работающих в режиме пробоя. В сущности, любой электронный компонент, пропускающий ток в одном направлении и препятствующий его прохождению в обратном, построен на принципах соединения полупроводников p-n типа. Что в свою очередь наводит на мысли о схожести системы на искомую конструкцию, аналогичную той, которую имеет модуль Пельтье. Если брать во внимание диоды с пластмассовой оболочкой (включая излучающие свет), мешает доступу к самим контактным пластинам из разных металлов только сам корпус устройства.

Вот они, две пластины полупроводника в прозрачном диоде:

Случай транзисторов аналогичен, конечно учитывая то, что в большинстве из них три контакта, два из полупроводника одного типа и один (меньший) другого. Хотя избавиться от корпуса, если он металлический, проще, что довольно распространено у элементов названого типа — достаточно срезать верхнюю крышку и получить доступ к открытым контактным пластинам.

Металлический транзистор со снятой крышкой:

Саму процедуру избавления от корпуса возложим на читателей, с рекомендацией попробовать нагрев, кислоту или механическое снятие преграды. Что касается соединения контактных площадок, здесь некоторые фанаты, судя по имеющейся информации, использовали меднение их верхушек электрическим методом. Впоследствии к подготовленным участкам осуществлялась пайка проводящих контактов.

После получения требуемых металлов, главное, что нужно помнить при их подключении — направление прохождения тока и последовательное соединение, выглядящее, как p-n-p-n-p-n, учитывая тип полупроводников. Кроме того, чем больше будет использовано элементов в конструкции, вне зависимости от их размера, тем и выше КПД получившегося генератора или устройства создающего тепло вместе с холодом.