Принцип роботи термоелектричних модулів

В основі роботи термоелектричного охолоджуючого модуля лежить ефект, відкритий французьким годинникарем Жаном Пельтьє, який в 1834 р виявив, що при протіканні електричного струму в ланцюзі, що складається з різнорідних провідників, в місцях контактів провідників поглинається або виділяється, в залежності від напрямку струму, теплота . При цьому кількість поглинається тепла пропорційно току, що проходить через контакт провідників. Найбільш сильно ефект Пельтьє проявляється на контактах напівпровідників з різним типом провідності (p- або n-) або, іншими словами, в p-n переході. Мовою класичної фізики пояснення ефекту Пельтьє полягає у взаємодії електронів провідності, сповільнилися або прискорити в контактному потенціал p-n переходу, з тепловими коливаннями атомів в масиві напівпровідника. В результаті, в залежності від напрямку руху електронів (і, відповідно, струму) відбувається нагрів або охолодження ділянки напівпровідника, що безпосередньо примикає до p-n переходу (Рис.1).

Рис.1 Дія ефекту Пельтьє при протіканні струму через напівпровідники p- і n- типів провідності.

Ефект Пельтьє лежить в основі роботи термоелектричного модуля (ТЕМ). Одиничним елементом ТЕМ є термопара, що складається з одного провідника p- типу і одного провідника n- типу. При послідовному електричному з'єднанні декількох таких термопар теплота, що поглинається на контакті типу n-p виділяється на контакті типу p-n. Термоелектричний модуль являє собою сукупність таких термопар, зазвичай з'єднуються між собою послідовно по току і паралельно по потоку теплоти. Термопари поміщаються між двох плоских керамічних пластин (Рис.2). Кількість термопар може змінюватися в широких межах - від декількох одиниць до тисяч пар, що дозволяє створювати ТЕМ з холодильною потужністю від десятих часток ват до сотень ват. Найбільшою термоеектріческой ефективністю серед промислово використовуваних для виготовлення ТЕМ матеріалів володіє теллурид вісмуту, в який для отримання необхідного типу і параметрів провідності додають спеціальні домішки, наприклад, селен і сурму.

Рис.2. Структура напівпровідникового термоелектричного модуля.

При проходженні через ТЕМ постійного електричного струму утворюється перепад температур між його сторонами: одна пластина (холодна) охолоджується, а інша (гаряча) нагрівається. При використанні ТЕМ необхідно забезпечити ефективне відведення тепла з його гарячої сторони, наприклад, за допомогою повітряного радіатора або водяного теплообмінника. Якщо підтримувати температуру гарячої сторони модуля на рівні температури навколишнього середовища, то на холодній стороні можна отримати температуру, яка буде на десятки градусів нижче. Ступінь охолодження буде пропорційна величині струму, що проходить через ТЕМ. Зовнішній вигляд типового ТЕМ представлений на рис.3.

Рис.3. Зовнішній вигляд термоелектричного модуля.