7.6.5 Термоэлектрические модули на эффекте Пельтье

Открытие термоэлектрического эффекта приписывается французскому часовщику Пельтье (1834 год), основная заслуга в разработке теории этого эффекта принадлежит советскому ученому Иоффе и его ученикам (20-е, 30-е годы прошлого века).

Охлаждающие устройства на основе термоэлектрических модулей (ТМ) выполняют те же функции, что и традиционные компрессионные или абсорбционные холодильные агрегаты, работающие на основе хладагентов. В отличие от этих агрегатов, в ТМ роль хладагента выполняет электронный газ и, по сути дела, модули представляют собой твердотельные тепловые насосы. ТМ обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами охлаждающих устройств:

1. Абсолютная бесшумность работы;

2. Отсутствие подвижных частей и рабочих жидкостей;

3. Возможность работы в любом пространственном положении;

4. Возможность построения миниатюрных охладителей;

5. Высокая надежность (среднее время наработки на отказ ТМ составляет не менее 200 000 часов, т.е. около 22 лет);

6. Возможность реализации охлаждения и подогрева в одном модуле (путем простой смены полярности напряжения питания);

7. Возможность охлаждения объекта до сверхнизких температур;

8. Простота управления и возможность прецизионной регулировки температуры (точность ±0,1...±0,001 °С).

Конструкция современного ТМ изображена на рис. 7.16, РМ7.4. Она состоит из двух керамических пластин, между которыми помещено множество полупроводниковых «столбиков» p- и n-типа проводимости, соединенных последовательно. Такая пара материалов обладает наиболее сильно выраженным термоэлектрическим эффектом. Как правило, в ТМ используется легированный теллурид висмута.

Е сли полярность питающего напряжения будет такой, как показано на рис. 7.16 (РМ7.4), то верхняя сторона ТМ будет холодной, а нижняя – горячей (тепло «качается» в направлении сверху-вниз). Если поменять полярность приложенного напряжения, то процесс пойдет в противоположном направлении.

Рис. 7.16 – Устройство термоэлектрического модуля

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор - холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного их охлаждения.

Отметим недостатки ТМ:

1) Невысокий КПД (30 % - однокаскадные, 12 % - двухкаскадные, 3 % - трехкаскадные холодильники), поэтому их целесообразно использовать для «перекачки» небольших мощностей (до нескольких десятков Вт).

2) Ввиду применения в конструкции материалов с высокой плотностью ТМ проигрывают по удельной массе некоторым другим системам охлаждения, например, ТМ имеют уд. массу 15 – 90 г/Вт, жидкостные бортовые системы – 9 – 11 г/Вт, тепловые трубки – 4...6 г/Вт.