Эффект Пельтье и его применение

Федеральное агентство по образованию РФ Брянский государственный технический университет Кафедра «Общая физика»

Курсовая работа Эффект Пельтье и его применение по дисциплине «Физика»

Студентка гр. 07-ЭУП 2

Шаповал Н.В.

Руководитель асс. Краюшкина Е.Ю.

Брянск 2008

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ
• 1.1 Открытие эффекта Пельтье
• 1.2 Объяснение эффекта Пельтье
• 2. ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ПЕЛЬТЬЕ
• 2.1 Модули Пельтье
• 2.2 Особенности эксплуатации модулей Пельтье
• 2.3 Применение эффекта Пельтье
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
• ВВЕДЕНИЕ
• Научная мысль обладает способностью опережать время. Открытия, сделанные ученными, позволяют будущим поколениям, руководствуясь ими, создавать улучшающие жизнь человека приборы и приспособления; находить новые способы защиты его здоровья и благополучия. И явление, открытое в 1834 году часовщиком Жаном-Шарлем Пельтье и названное позже «Эффектом Пельтье», не стало исключением. Поэтому эффект, имевший место в начале XIX века, актуален и сейчас.
• Возможности его применения неограниченны. Множество лабораторий и исследовательских центров занимаются разработкой способов его применения, потому что открытие, сделанное французским ученым, позволяет сделать жизнь человека комфортной, красочной, а блага цивилизации — доступными широкому кругу потребителей.
• В данной курсовой работе мы рассмотрим явление Пельтье и его применение.
• 1. ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ
• 1.1 Открытие эффекта Пельтье
• Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками (рис. 1.1.). В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое — остывает.
• Рис. 1.1 — Схема опыта для измерения тепла Пельтье
• Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснен в 1838 г. Ленцем.
• В своём опыте Ленц экспериментировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока — таяла. Тем самым было установлено, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом — поглощается. Данное явление было названо эффектом Пельтье.
• 1.2 Объяснение эффекта Пельтье

Тепло Пельтье пропорционально силе тока и может быть выражено формулой:

Q_{п = П}

· q

где q — заряд прошедший через контакт, П — так называемый коэффициент Пельтье, который зависит от природы контактирующих материалов и их температуры. Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томпсона:

П =? T

где — коэффициент Томпсона, Т — абсолютная температура.

Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Величина выделяемого тепла Пельтье и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени его прохождения, поэтому Qп может быть выражено еще одной формулой:

dQп = П12ЧIЧdt.

Здесь П12=П1-П2 — коэффициент Пельтье для данного контакта, связанный с абсолютными коэффициентами Пельтье П1 и П2 контактирующих материалов. При этом считается, что ток идет от первого образца ко второму. При выделении тепла Пельтье имеем: Qп>0, П12>0, П1>П2.

При поглощении тепла Пельтье оно считается отрицательным и соответственно: Qп<0, П12<0, П1<�П2. Очевидно, что П12=-П21.

Размерность коэффициента Пельтье [П]СИ=Дж/Кл=В.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одного металла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контактной разностью потенциалов между металлами. В случае ускорения кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. В обратном случае кинетическая энергия уменьшается, и энергия пополняется за счёт энергии тепловых колебаний атомов второго проводника, таким образом он начинает охлаждаться. При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.

На рис. 1.2. и рис. 1.3. изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами, А и В.

Рис. 1.2 — Выделение тепла Пельтье (контакт А) Рис. 1.3 — Поглощение тепла Пельтье (контакт А) Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви — термоэлектродами. Через цепь течет ток I, созданный внешним источником e. Рис. 1.2. иллюстрирует ситуацию, когда на контакте, А (ток течет от ПП1 к ПП2) происходит выделение тепла Пельтье Qп (А)>0, а на контакте В (ток направлен от ПП2 к ПП1) его поглощение — Qп (В)<0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА>ТВ.

На рис. 1.3. изменение знака источника меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 на контакте, А и от ПП1 к ПП2 на контакте В. Соответственно меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурами контактов: Qп (А)<0, ТА<�ТВ.

Причина возникновения эффекта Пельтье на контакте полупроводников с одинаковым видом носителей тока (два полупроводника n-типа или два полупроводника p-типа) такая же, как и в случае контакта двух металлических проводников. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит от многих причин: энергетического спектра, концентрации, механизма рассеяния носителей заряда. Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье (Qп>0) и температура контакта повышается. При этом на другом спае носители, переходя в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от решетки, происходит поглощение теплоты Пельтье (Qп<0) и понижение температуры.

Эффект Пельтье, как и все термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из электронных (n — тип) и дырочных (р — тип) полупроводников. В этом случае эффект Пельтье имеет другое объяснение. Рассмотрим ситуацию, когда ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному (р®n). При этом электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют. В результате рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в виде тепла. Эта ситуация рассмотрена на рис. 1.4., где изображены энергетические зоны (ecзона проводимости, evвалентная зона) для примесных полупроводников с дырочной и электронной проводимостью.

Рис. 1.4 — Выделение тепла Пельтье на контакте полупроводников p и n-типа На рис. 1.5. (ec — зона проводимости, ev — валентная зона) иллюстрируется поглощение тепла Пельтье для случая, когда ток идет от n к p-полупроводнику (n ® p).

Рис. 1.5 — Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников p и n-типа Здесь электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться.

Применение полупроводников разных типов в термоэлектрических модулях представлено на рис. 1.6.

Рис. 1.6 — Использование полупроводниковых структур в термоэлектрических модулях Такая цепь позволяет создавать эффективные охлаждающие элементы.

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ПЕЛЬТЬЕ

2.1 Модули Пельтье

Объединение большого количества пар полупроводников pи n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 — Структура модуля Пельтье Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников pи n-типа, образующих p-nи n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. На рис. 2.2. представлен внешний вид типового модуля Пельтье.

Рис. 2.2 — Внешний вид модуля Пельтье 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. Это позволяет сравнительно простыми средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. На рис. 2.3. представлен пример каскадного включения типовых модулей Пельтье.

Рис. 2.3 — Пример каскадного включения модулей Пельтье

Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными холодильниками Пельтье или просто кулерами Пельтье (рис. 2.4.).

Рис. 2.4 — Внешний вид кулера с модулем Пельтье Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства — это эффективность охлаждения:

Z=a2/(rl),

где a — коэффициент термоэдс;

r — удельное сопротивление;

l — удельная теплопроводность полупроводника.

Параметр Z — функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна.

Введение

в полупроводник тех или иных примесей — основное доступное средство изменять его показатели (a, r, l) в желательную сторону.

Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными по сравнению со стандартными типами кулеров на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.

2.2 Особенности эксплуатации модулей Пельтье

Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют движущихся частей. И, как это отмечалось выше, для увеличения эффективности своей работы они допускают каскадное использование, что позволяют довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния. Также модуль является обратимым, т. е. при смене полярности постоянного тока горячая и холодная пластины меняются местами.

Однако кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладает и рядом специфических свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. Некоторые из них были уже отмечены, но для корректного применения модулей Пельтье требуют более детального рассмотрения.

К важнейшим характеристикам относятся следующие особенности эксплуатации:

§ Модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло от охлаждающих модулей.

§ Термоэлектрические модули отличаются относительно низким коэффициентом полезного действия (кпд) и, выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла. Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютера вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, что нередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпуса создает трудности для работы не только для защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и остальным компонентам компьютера.

§ Модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания. Потребляемый ими ток превышает 6А. Слишком тонкие провода питания могут не выдержать такой силы тока. С учетом значения тока потребления модулей Пельтье величина мощности блока питания компьютера должна быть не менее 250 Вт.

§ Модуль Пельтье, в случае выхода его из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента и скорому выходу его из строя от последующего перегрева.

§ Термоэлектрические модули соответствуют техническим данным в течение 2-х лет с даты изготовления при соблюдении потребителем условий хранения и эксплуатации. Срок хранения и эксплуатации — 15 лет с момента приемки. Из опыта известно, что если только модуль не будет нагреваться до температуры плавления олова, он прослужит очень долго.

§ Подаваемое на модуль напряжение определяется количеством пар ветвей в модуле. Наиболее распространенными являются 127-парные модули, величина максимального напряжения для которых составляет примерно 16 В. На эти модули обычно подается напряжение питания 12 В. Такой выбор напряжения питания в большинстве случаев является оптимальным и позволяет обеспечить, с одной стороны, достаточную мощность охлаждения, а с другой стороны, достаточную экономичность. При повышении напряжения питания более 12 В увеличение холодильной мощности будет слабым, а потребляемая мощность будет резко увеличиваться. При понижении напряжения питания экономичность будет расти, холодильная мощность будет уменьшаться, но линейно, что очень удобно для организации плавного регулирования температуры. Для модулей с числом пар ветвей отличным от 127, необходимо учитывать особенности конкретного устройства, прежде всего, условия теплоотвода с горячей стороны, и возможности источников питания.

§ Большое значение играет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера. Модуль малой мощности не обеспечивает необходимый уровень охлаждения, что может привести к нарушению работоспособности защищаемого электронного элемента, например, процессора вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных цепей. Это связано с тем, что вода, непрерывно получаемая в результате конденсации, может привести к коротким замыканиям в электронных цепях компьютера. Для исключения данной опасности целесообразно использовать холодильники Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров.

Важнейшими являются:

ь температура окружающей среды (в данном случае температура воздуха внутри корпуса);

ь температура охлаждаемого объекта;

ь влажность воздуха.

Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера. Ниже представлена таблица, иллюстрирующая зависимость температуру конденсации влаги на охлаждаемом объекте в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха. Используя эту таблицу, можно легко установить, существует ли опасность конденсации влаги или нет. Например, если внешняя температура 25 °C, а влажность 65%, то конденсация влаги на охлаждаемом объекте происходит при температуре его поверхности ниже 18 °C.

Таблица 2

Кроме указанных особенностей, необходимо учитывать и ряд специфических обстоятельств, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров, применяемых для охлаждения высокопроизводительных центральных процессоров мощных компьютеров.

Архитектура современных процессоров (рис. 2.5.) и некоторые системные программы предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки процессоров. Это позволяет оптимизировать их энергопотребление. Кстати, это предусмотрено и стандартами энергосбережения, поддерживаемыми некоторыми функциями, встроенными в аппаратно-программное обеспечение современных компьютеров. В обычных условиях оптимизация работы процессора и его энергопотребления благотворно сказывается как на тепловом режиме самого процессора, так и общем тепловом балансе. Однако следует отметить, что режимы с периодическим изменением энергопотребления могут плохо сочетаться со средствами охлаждения процессоров, использующих модули Пельтье. Это связано с тем, что существующие холодильники Пельтье, как правило, рассчитаны на непрерывную работу. В связи с этим, простейшие холодильники Пельтье, не обладающие средствами контроля, не рекомендуется использовать вместе с охлаждающими программами.

Рис. 2.5 — Процессор с модулем Пельтье В случае перехода процессора в режим пониженного энергопотребления и соответственно тепловыделения возможно значительное снижение температуры корпуса и кристалла процессора. Переохлаждение ядра процессора может вызвать в некоторых случаях временное прекращение его работоспособности, и как результат, стойкое зависание компьютера.

Некоторые проблемы могут возникнуть и в результате работы ряда встроенных функций, например, тех, которые осуществляют управление вентиляторами кулеров. В частности, режимы управления энергопотреблением процессора в некоторых компьютерных системах предусматривают изменение скорости вращения охлаждающих вентиляторов через встроенные аппаратные средства материнской платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора компьютера. Однако в случае использования простейших холодильников Пельтье уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье, который кроме выполнения функций теплового насоса, является мощным источником дополнительного тепла.

Ввиду этого необходимо отметить, что, как и в случае центральных процессоров компьютеров, холодильники Пельтье могут быть хорошей альтернативой традиционным средствам охлаждения видеочипсетов, используемых в составе современных высокопроизводительных видеоадаптеров. Работа таких видеочипсетов сопровождается значительным тепловыделением и обычно не подвержена резким изменениям режимов их функционирования.

Для того чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающих конденсацию влаги из воздуха и возможное переохлаждение, а в некоторых случаях даже перегрев защищаемых элементов, таких как процессоры компьютеров, следует отказаться от использования подобных режимов и ряда встроенных функций. Однако как альтернативу можно использовать системы охлаждения, предусматривающие интеллектуальные средства управления холодильниками Пельтье. Такие средства могут контролировать не только работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров.

2.3 Применение эффекта Пельтье

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.

Кроме того элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются:

1. для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, чтобы стабилизировать длину волны излучения;

2. в компьютерной технике;

3. в радиоэлектрических устройствах;

4. в медицинском и фармацевтическом оборудовании;

5. в бытовой технике;

6. в климатическом оборудовании;

7. в термостатах;

8. в оптической аппаратуре;

9. для управления процессом кристаллизации;

10. как подогрев в целях отопления;

11. для охлаждения напитков;

12. в лабораторных и научных приборах;

13. в ледогенераторах;

14. в кондиционерах;

15. для получения электроэнергии;

16. в электронных счетчиках расхода воды.

Конечно, охлаждающие устройства Пельтье вряд ли подходят для массового использования. Они достаточно дорогие и требуют правильного режима эксплуатации. Сегодня это, скорее, инструмент для любителей разгона процессоров. Однако в случае необходимости сильного охлаждения процессоров кулеры Пельтье являются наиболее эффективными устройствами.

Появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение способствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.

Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. И системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, считаются чрезвычайно перспективными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

После детального изучения эффекта Пельтье можно сделать вывод:

несмотря на то, что использование эффекта Пельтье требует дополнительных мер и исследований по изучению безопасного и рационального использования модулей Пельтье в качестве охлаждающих устройств, это явление считается чрезвычайно перспективным и полезным для человека цивилизации.

1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10. т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. — 4-е изд., стереот.-м.: Физматлит, 200 т. — 656 с.

2. Н 29 Наркевич И. И. Физика: Учеб./ И. И. Наркевич, Э. И. Вомлянский, С. И. Лобко. — Мн.: Новое знание, 2004. — 680 с.

3. Ф50 Физика: Энциклопедия./ Под. Ред. Ю. В. Прохорова. — М.: Большая Российская Энциклопедия, 2003. — 944 с.: ил., 2 л. цв.

4. Ф50 Физическая энциклопедия, т. 5. Стробоскопические приборы — яркость/ Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. кол.: Д. М. Балдин, Большая Российская Энциклопедия, 1998. — 760 с.