POMPA CIEPLNA PELTIERA

1

T1: POMPA CIEPLNA PELTIERA

OKREŚLANIE OPTYMALNEGO PUNKTU PRACY

Piotr Słoma, Janusz Tomaszewski

1.W

STĘP TEORETYCZNY

„Szybki start” (czyli „pierwsze czytanie”)

Moduł Peltiera to układ wielu połączonych ze sobą szeregowo (czyli jedna za drugą)

na przemian kostek półprzewodnikowych typu p i n. Kostki ułożone są w jednej płaskiej war-
stwie, zaś łączące je w szereg miedziane płytki leżą na przemian po przeciwnych jej stronach
(Rys. 1 i 2).

Umożliwiające przepływ prądu swobodne nośniki ładunku (elektrony o najwyższych

w danym materiale energiach) mają po stronie n wyższe energie niż po stronie p (patrz model
pasmowy na Rys. 2). Jeśli zatem na skutek przyłożenia odpowiedniego napięcia swobodne
elektrony zmuszane są do „wędrówki” z p do n, wówczas muszą pobierać brakującą energię
na styku p-n (chłodzenie styku i jego okolic). Płynąc dalej elektrony przechodzą ponownie z
n do p, wobec czego muszą oddać nadmiar energii (na styku n-p wydziela się ciepło).

Przepływ prądu przez moduł wymusza zatem transport ciepła z jednej jego strony na

drugą przy czym zmiana kierunku przepływu prądu powoduje odwrócenie kierunku „pompo-
wania” ciepła.

Intensywność „pompowania” zależy rzecz jasna od natężenia prądu i zdawać by się

mogło, że chłodzące możliwości modułu rosnąć będą w miarę zwiększania prądu. Niestety w
miarę wzrostu prądu rośnie także i to znacznie szybciej ilość ciepła Joule’a-Lenz’a wydziela-
nego w module (elektrony „płynące” przez moduł zderzają się z jonami sieci krystalicznej
przekazując im część swej energii). W miarę pompowania i wzrostu różnicy temperatur mię-
dzy obydwiema stronami modułu nasila się też stopniowo przeciwnie skierowany transport
ciepła związany z przewodnictwem cieplnym.
Pompa Peltiera musi zatem radzić sobie nie tylko z chłodzeniem jednej ze stron ale i z dwoma
wymienionymi powyżej efektami „pasożytniczymi” (patrz Rys.3).

Przy danym natężeniu prądu zawsze ustala się w końcu pewien stan równowagi –

temperatura po stronie chłodzonej przestaje się zmieniać. Jeśli zwiększamy natężenie prądu
temperatura równowagowa strony „zimnej” początkowo stopniowo opada, ale powyżej pew-
nej wartości krytycznej ponownie zaczyna rosnąć – dalsze zwiększanie natężenia prądu nie
ma już żadnego sensu (patrz Rys.4).

Tyle w skrócie dla ogólnej orientacji – poniżej jeszcze raz, ale tym razem dokładniejsze
omówienie zagadnienia (czyli „drugie czytanie”)

Pompa cieplna Peltiera opiera się na zjawisku Peltiera. Zjawisko to zostało odkryte

przez Jeana C.A. Peltiera w roku 1834. Zaobserwował on, że na złączu dwóch różnych metali
przy określonym kierunku przepływu prądu złącze pochłania ciepło lub je wydziela. Ilość
wydzielanego lub pochłanianego ciepła była proporcjonalna do natężenia prądu (wzór 1).

I

dt

dQ

P

p







, gdzie

p



- współczynnik Peltiera danego układu

(1)

POMPA CIEPLNA PELTIERA

2

Efekt Peltiera zależy również od zastosowanych materiałów. Najmniejsza ilość ciepła

przy ustalonym prądzie wydziela się dla złącza wykonanego z dwóch różnych metali. Aby
uzyskać jak najlepszy efekt wykorzystuje się obecnie domieszkowane półprzewodniki (np.
tellurek bizmutu - Bi

2

Te

3

).

Mimo zastosowania nowoczesnych materiałów ilość ciepła wydzielająca się na poje-

dynczym ogniwie jest bardzo mała, dlatego też w zastosowaniach przemysłowych stosuje się
wiele jednakowych ogniw, tworząc tzw. moduły Peltiera. Moduł taki przedstawiony jest na
Rysunku 1.

Moduł Peltiera to dwie płyt-

ki ceramiczne (charakteryzujące się
bardzo dobrą izolacją elektryczną,
jednocześnie będąc dobrymi prze-
wodnikami ciepła), tworzące dwie
płaszczyzny, pomiędzy którymi
umieszczono wiele pojedynczych
ogniw

Peltiera.

Poszczególne

ogniwa połączone są szeregowo (za
pomocą miedzianych płytek).

Podstawą działania takiego modułu jest pojedyncze ogniwo, które jest po prostu złą-

czem typu p-n. Poniżej omówimy co dzieje się w takim złączu podczas przepływu prądu.

W półprzewodniku typu p nośnikiem prądu są dziury. Dziury nie są realnymi obiek-

tami fizycznymi. Nadmiar dziur informuje nas o tym, że w półprzewodniku mamy tak na-
prawdę niedobór elektronów w ostatnim paśmie energetycznym (orbicie elektronowej). W
półprzewodniku typu n występuje nadmiar elektronów, czyli pasmo o którym mowa w przy-
padku półprzewodnika typu p jest całkowicie zapełnione, a nadmiar elektronów zapełnia ko-
lejne (wyższe ) pasmo energetyczne. Każde „przejście” elektronu z pasma niższego na wyż-
sze wiąże się z koniecznością dostarczenia energii, natomiast w sytuacji odwrotnej, czyli kie-
dy elektron „przechodzi” do pasma niższego, mamy do czynienia z oddaniem energii.

Rysunek 2. Zasada działania modułu Peltiera. Model pasmowy uproszczony nie uwzględnia-

jący kontaktu metal-półprzewodnik (patrz dodatek).

POMPA CIEPLNA PELTIERA

3

W złączu p-n przez które płynie prąd elektryczny w kierunku jak na Rysunku 2 mamy

następującą sytuację:



elektrony o niższej energii (z pasma niższego) z półprzewodnika typu p prze-
chodzą do półprzewodnika typu n, gdzie muszą mieć wyższą energię (pasmo
niższe jest całkowicie zapełnione),



elektrony te muszą więc w jakiś sposób pobrać energię aby zająć miejsce w pa-
śmie wyższym,



pobierana energia jest energią w postaci ciepła,



złącze, a dokładnie górna płaszczyzna pochłania ciepło z otoczenia.

Ale w module mamy również do czynienia przy powyższym kierunku prądu ze złą-

czami typu n-p. Tutaj mamy sytuację odwrotną:



elektrony o wyższej energii (z pasma wyższego) z półprzewodnika typu n
przechodzą do półprzewodnika typu p, gdzie mogą mieć niższą energię (pasmo
niższe jest częściowo wolne),



elektrony te jeśli tylko mogą mieć niższą energię, oddają ją w jakiś sposób aby
zająć miejsce w paśmie niższym,



oddawana energia jest energią w postaci ciepła,



złącze, a dokładnie dolna płaszczyzna oddaje ciepło do otoczenia.

Przy zmianie kierunku przepływu prądu role między poszczególnymi złączami się

zamieniają i górna płaszczyzna będzie się nagrzewać, a dolna ochładzać.

Można więc powiedzieć że w module Peltiera ciepło jest transportowane z jednej je-

go płaszczyzny do drugiej pod wpływem przepływającego przezeń prądu. Moduł Peltiera jest
więc pompą cieplną transportującą ciepło w zależności od kierunku przepływu prądu.

Z powyższego opisu wynikałoby, że:



ilość ciepła pochłoniętego w module Peltiera jest taka sama jak ilość ciepła od-
danego,



wydajność takiej pompy ciepła zależy od natężenia prądu płynącego przez złą-
cza.

Tak byłoby tylko w sytuacji gdybyśmy mieli do czynienia wyłącznie ze zjawiskiem

Peltiera. Ale jak było wspomniane wyżej zjawisku temu towarzyszą nieodłącznie inne proce-
sy, które w zasadniczy sposób wpływają na zdolność transportu ciepła w module Peltiera, a
tym samym na wydajność chłodniczą (grzewczą) takiej pompy cieplnej.

Tymi zjawiskami są:



efekt Joulea,



przewodzenie ciepła,



zjawisko Seebecka,



zjawisko Thomsona.

Zjawiska Seebecka i Thomsona nie dogrywają istotnej roli w naszych rozważaniach

dlatego pominiemy ich efekt w dalszej części opisu. Natomiast pierwsze dwa efekty mają
zdecydowanie negatywny wpływ na możliwość zwiększania wydajności chłodniczej modułu
Peltiera. Dlaczego? Zobaczmy poniżej.

Efekt Joulea to wydzielanie się ciepła, zwanego ciepłem Joulea, podczas przepływu

prądu przez przewodnik o niezerowym oporze. Ilościowo opisuje to zjawisko wzór na wy-
dzielaną moc:

R

I

P

2



POMPA CIEPLNA PELTIERA

4

Tak więc im większy prąd płynący przez moduł Peltiera tym więcej wydzieli się w

nim ciepła Joulea. Ten sam prąd I płynący przez moduł, powoduje transport ciepła z jednej
strony modułu na drugą. Ciepło Joule'a, powstające w złączach p-n i n-p (Rysunek 2) będzie
transportowane na stronę gorącą modułu dzięki zjawisku Peltiera. Po stronie gorącej wydzieli
się zarówno ciepło pochłonięte na stronie zimnej, jak i ciepło Joule'a powstające wskutek
przepływu prądu. W module Peltiera moc uzyskana na stronie gorącej będzie więc większa od
dostarczonej mocy elektrycznej P! Tak więc w module Peltiera traktowanym jako urządzenie
grzewcze sprawność jest większa niż 100%!

1

Rysunek 3. Bilans cieplny w rzeczywistym module Peltiera.

A co z mocą chłodzącą? Jak efekt Joulea wpływa na zdolność chłodzącą modułu Pel-

tiera? Dla czystego zjawiska Peltiera zdolność transportowania ciepła, a tym samym wydaj-
ność chłodnicza, zależy liniowo od natężenia płynącego prądu. Ale im większy prąd tym
większa ilość ciepła Joulea (proporcjonalnie do I

2

) którą należy przetransportować na stronę

gorącą. Tak więc przy zwiększaniu natężenia prądu niepożądane ciepło Joulea będzie rosnąć
szybciej niż ilość ciepła pompowanego w wyniku samego zjawiska Peltiera i w końcu osią-
gniemy stan, w którym moduł zacznie transportować wyłącznie ciepło Joulea, czyli strona
zimna nie będzie pobierać ciepła z otoczenia. Patrz Rysunek 4.

Rysunek 4. Porównanie mocy cieplnych w module Peltiera.

1

W przypadku rezystora, przez który płynie prąd elektryczny o natężeniu I ilość ciepła wydzielonego odpowia-

da mocy elektrycznej jaką mu dostarczamy. Sprawność wynosi 100%.

POMPA CIEPLNA PELTIERA

5

Złożenie dwóch krzywych, 1 i 2, daje nam wypadkowa moc chłodzenia strony zimnej

modułu – krzywa 3. Widzimy wiec, że istnieje graniczna wartość natężenia prądu dla danego
modułu Peltiera, powyżej której rzeczywista moc chłodnicza zacznie się zmniejszać. Wartość
tego natężenia prądu jest jednym z najważniejszych parametrów modułu Peltiera.

Kolejnym zjawiskiem pogarszającym wydajność chłodniczą jest zjawisko termody-

namicznego przewodzenia ciepła. Ze zjawiskiem tym mamy do czynienia wszędzie tam,
gdzie jeden koniec danego materiału ma temperaturę wyższą niż drugi. Każdy materiał ma
pewną przewodność cieplną, a więc zgodnie z zasadami termodynamiki będzie przewodził
ciepło ze strony cieplejszej do zimniejszej. Ilość transportowanego ciepła zależy w tym przy-
padku od różnicy temperatur oraz od przewodności cieplnej danego materiału. Przewodność
cieplna dla danego modułu Peltiera będzie wielkością stałą, tak więc kolejny szkodliwy efekt
zmniejszający moc chłodniczą zależeć będzie od różnicy temperatur miedzy płytką gorącą i
zimną. Im większa różnica temperatur, tym więcej ciepła nasz moduł musi przetransportować
na stronę ciepłą kosztem ciepła transportowanego w wyniku czystego zjawiska Peltiera (po-
dobnie jak prze cieple Joulea). Rysunek 5 pokazuje jak zmienia się krzywa wypadkowej mo-
cy chłodzenia w zależności od różnicy temperatur na okładkach modułu Peltiera.

Rysunek 5.

Podsumowując wpływ

obu szkodliwych procesów
jakimi są powstawanie ciepła
Joulea oraz przewodzenie cie-
pła, otrzymujemy następujący
obraz działania modułu Peltie-
ra. Zwiększanie prądu w zakre-
sie od 0 do I

max

będzie powo-

dować zwiększanie różnicy
temperatur obu stron modułu
(od zera do jakiejś wartości



T

max

). Ale zwiększanie różni-

cy temperatur spowoduje coraz większe przewodzenie ciepła ze strony gorącej do zimnej.
Przy prądzie I

max

oraz różnicy temperatur



T

max

suma szkodliwego ciepła przewodzenia i

ciepła Joule'a stanie się równa ilości ciepła jaką może przepompować moduł. Cała moc modu-
łu Peltiera wynikająca z czystego zjawiska Peltiera będzie zużywana na wypompowanie
szkodliwego ciepła z wnętrza modułu. W tym momencie układ uzyska największą różnicę
temperatur, czyli najniższą możliwą temperaturę strony zimnej, co z kolei oznacza największą
wydajność chłodniczą dla danej różnicy temperatur. Z Rysunku 5 widać wyraźnie, że naj-
większą moc chłodzenia uzyskamy gdy różnica temperatur wynosi zero stopni. Taka sytuacja
ma miejsce jednak tylko w momencie początkowym po podłączeniu modułu do prądu.

Szkodliwym efektem o którym należy również pamiętać jest wymiana ciepła strony

zimnej z otoczeniem. Ciepło dostające się do układu w ten sposób, musi być również wy-
pompowane przez moduł Peltiera. Moglibyśmy uniknąć tego efektu izolując stronę zimną
modułu od otoczenia, ale oczywiście w warunkach rzeczywistych jest to niemożliwe.

Jak wpływa na wydajność chłodzenia zjawisko Seebecka i Thomsona?

POMPA CIEPLNA PELTIERA

6

Zjawisko Seebecka polega na wytwarzaniu się napięcia w obwodzie wykonanym

z dwóch różnych metali, jeśli styki tych metali utrzymywane są w różnych temperaturach.
Napięcie generowane w ten sposób nazywamy napięciem termoelektrycznym lub napięciem
Seebecka. Napięcie to występuje oczywiście w module Peltiera i powoduje zmiany wartości
natężenia prądu które przez niego płynie. Przy stałym napięciu zasilania modułu efekt See-
becka powoduje nieznaczne zmniejszanie się wartości natężenia prądu wraz ze zwiększaniem
się różnicy temperatur obu stron modułu.

Zjawisko Thomsona polega na wydzielaniu i pochłanianiu ciepła w jednorodnym

przewodniku, gdy prąd płynie w kierunku gradientu temperatury. Wiąże się to z różnymi war-
tościami średniej energii kinetycznej elektronów swobodnych biorących udział w przepływie
prądu. Elektrony w gorącym końcu przewodnika uzyskują wyższe energie kinetyczne i pręd-
kości niż w końcu zimnym. W wyniku tego powstaje pewien strumień elektronów płynący od
końca gorącego do końca zimnego. Na końcu zimnym gromadzi się ładunek ujemny, a na
gorącym dodatni – powstaje więc w takim obwodzie siła elektromotoryczna. W przypadku
półprzewodników dodatkowo wraz z temperaturą rośnie w nich koncentracja swobodnych
elektronów, tak więc na gorącym końcu będzie ich więcej niż na zimnym. Proces przepływu
ładunku w wyniku tego zjawiska będzie zachodził tak długo, aż powstająca w ten sposób róż-
nica potencjałów ustali pewien stan stacjonarny. Wpływ zjawiska Thomsona na pompowanie
ciepła w module Peltiera jest niewielki.

POMPA CIEPLNA PELTIERA

7

DODATEK

Średnia energia elektronów które uczestniczą w zjawisku Peltiera zależy przede

wszystkim od struktury pasmowej materiałów użytych do budowy ogniwa. Przy przejściach z
jednego przewodnika (półprzewodnika) do drugiego, elektrony albo oddaja nadmiar energii
otaczającym je atomom – co oznacza wydzielanie się ciepła w pobliżu styku, albo pobierają
od nich niedomiar energii – co oznacza pochłanianie ciepła. Gdy kierunek prądu odpowiada
przejściu elektronów z półprzewodnika typu n do metalu to elektrony przechodząc z pasma
przewodnictwa do metalu (elektrony na poziomach domieszkowych są nieruchome) oddają
nadmiar energii w postaci ciepła



Q. Przy przepływie elektronów z metalu do półprzewodni-

ka typu n przechodzą tylko te elektrony, których energia jest wyższa od energii na dnie pasma
przewodnictwa półprzewodnika. Niedomiar energii w metalu jest wyrównywany kosztem
drgań cieplnych sieci krystalicznej metalu, co powoduje pochłanianie ciepła Peltiera. Uogól-
niając można napisać, że przyczyną zjawiska Peltiera jest odstępstwo średniej energii prze-
pływających elektronów od jej wartości na poziomie Fermiego. Gdyby bowiem elektrony
znajdujące się na poziomach domieszkowych mogły przemieszczać się pod wpływem przyło-
żonego potencjału tak jak elektrony w paśmie, i średnia energia elektronów uczestniczących
w prądzie w półprzewodniku byłaby równa energii elektronów na poziomie Fermiego w me-
talu, wtedy przepływ prądu przez styk nie naruszyłby równowagi cieplnej i efekt Peltiera nie
miałby miejsca. Czyli do uzyskania efektu Peltiera (oraz każdego innego zjawiska termoelek-
trycznego) musimy użyć materiałów(przewodników, półprzewodników), które różnią się bu-
dową pasmową, co skutkuje naruszeniem równowagi cieplnej w strumieniu elektronów pod-
czas przepływu prądu przez takie złącze. Dodatkowymi elementami które zaburzają tę rów-
nowagę są koncentracja elektronów oraz mechanizm ich rozpraszania.

POMPA CIEPLNA PELTIERA

8

2.

O

PIS ZESTAWU POMIAROWEGO

Głównym elementem zestawu pomiarowego (Rys.6) jest moduł Peltiera złożony ze

142 połączonych szeregowo komórek Peltiera. Poprzez umieszczone w jego bocznych krawę-
dziach gniazda „wpina się” go do obwodu elektrycznego złożonego z zasilacza, amperomie-
rza i woltomierza. Z zewnętrznymi ściankami modułu zespolone są dwie niklowane grube
miedziane płyty. Na górnej krawędzi każdej z nich znajduje się otwór, w którym umieszcza
się końcówkę termometru. Do płyt dociśnięte są poprzez gumowe uszczelki dwa zbiorniczki
na wodę – odkryty (strona „chłodna” modułu) oraz zamknięty (z wymuszonym chłodzeniem).

Podczas eksperymentu dokonuje się w funkcji czasu równoczesnych pomiarów tempe-

ratur T

grz

i T

chł

obydwu stron modułu a także napięcia zasilania U oraz prądu I płynącego

przez moduł.

Rysunek 6. Schemat montażowy zestawu do pomiaru wydajności chłodniczej.

+

_

A

zasilacz

gniazdo termometru

moduł Peltiera złożony
ze 142 komórek Peltiera

gumowa uszczelka

zamknięty zbiorniczek
z wodą

niklowana miedziana płyta

elektryczne gniazdo modułu

odkryty zbiorniczek
z wodą

obieg chłodzący

Rysunek 7. Wygląd rzeczywisty
układu do pomiaru wydajności
chłodniczej.

POMPA CIEPLNA PELTIERA

9

3.

P

RZEBIEG EKSPERYMENTU

3.1

Połączyć układ według schematu z Rysunku 6 pozostawiając swobodnymi końcówki
przeznaczone do wetknięcia w gniazda elektryczne modułu Peltiera.

3.2

Skontrolować poziom i temperaturę wody w wiadrze z pompką obiegu chłodzącego.
Wiadro powinno być napełnione do około ¾ swej objętości. Temperatura wody powin-
na być zbliżona do pokojowej – w przeciwnym razie dokonać wymiany.

3.3

Napełnić wodą zbiorniczek odkryty.

3.4

Uruchomić pompkę obiegu chłodzącego.

3.5

Wetknąć swobodne końcówki przewodów do elektrycznych gniazd modułu zwracając
uwagę na biegunowość („+” zasilacza łączymy z gniazdem czerwonym, „–” z gniazdem
niebieskim).

3.6

Włożyć końcówki termometrów elektronicznych do otworów w górnej krawędzi modu-
łu i włączyć termometry.

3.7

Przed włączeniem zasilacza ustawić pokrętła Voltage (Coarse, Fine) w skrajne prawe
położenia (maksimum), natomiast pokrętła Current (Coarse, Fine) w skrajne lewe poło-
żenia (minimum).

3.8

Włączyć zasilacz przyciskiem POWER z przodu obudowy i przygotować stoper.

UWAGA!!! Do ustawiania żądanej wartości natężenia prądu służyć będzie podczas
studenckiego eksperymentu wyłącznie !!! pokrętło „Current-FINE”. Ponieważ pod-
czas każdej z kilku wykonywanych serii pomiarowych wymagany jest stały prąd, wo-
bec tego należy kontrolować natężenie według wskazań zewnętrznego ampero-
mierza dokonując ewentualnych korekt tak, aby jego wartość nie ulegała zmianie w
trakcie danej serii pomiarowej.

3.9

Pokrętłem „Current-FINE” ustawić szybko żądaną wartość natężenia prądu i natych-
miast:



włączyć stoper,



odczytać napięcie U z wyświetlacza zasilacza,



odczytać temperatury obydwu stron modułu: T

grz

i T

chł

(indeks „grz” dotyczy strony

modułu, po której będzie wydzielać się ciepło).

3.10

Kolejnych odczytów dokonywać co minutę w przeciągu kolejnych 10 minut.

3.11

Wyniki notować w tabeli (wzór do druku na końcu sprawozdania):

czas t [min] prąd I [A] napięcie U [V] temp. T

grz

[K] temp. T

chł

[K]

0

1

...

10

3.12

Po zakończeniu serii pomiarowej „skręcić” prąd do zera (pokrętło w skrajne lewe poło-
żenie – minimum) i wyłączyć zasilacz.

3.13

Wyłączyć pompkę obiegu chłodzącego.

3.14

Odłączyć przewody zasilające od modułu i wyjąć końcówki termometrów.

3.15

Opróżnić zbiorniczek odkryty sprzęgnięty ze stroną chłodną modułu (wylewając wodę
do wiadra obiegu chłodzącego!!!) i napełnić go ponownie.

3.16

Skontrolować temperaturę w zbiorniczku. Jeśli różni się ona od temperatury zanotowa-
nej na początku pierwszej serii pomiarowej o więcej niż 1 stopień, należy wrócić raz
jeszcze do punktu 3.15.

POMPA CIEPLNA PELTIERA

10

3.17

Powtórzyć eksperyment według punktów 3.4 – 3.16 dla innych wartości natężenia prą-
du (sugerowane wartości natężenia prądu, dla których należy wykonać eksperyment to:
1A, 2A, 3A, 3,5A, 4A, 4,5A).

UWAGA!!! Temperatura T

grz

będzie systematycznie rosnąć z serii na serię. Prowadzą-

cy może zalecić utrzymywanie jej na stałym poziomie. Należy wówczas wrzucić po-
między seriami do wiadra odpowiednią ilość kostek lodu.

3.18

Po ukończeniu ostatniej z wykonywanych serii pomiarowych wyłączyć pompkę obiegu
chłodzącego i odwrócić kierunek przepływu prądu poprzez zamianę miejscami przewo-
dów przyłączonych do zasilacza.

3.19

Obserwować i notować co minutę (przez kolejnych 5 minut) wskazania obydwu ter-
mometrów.

3.20

Pokrętło „Current-FINE” ustawić w skrajnym lewym położeniu (minimum) i wyłączyć
zasilacz.

3.21

Wyłączyć miernik (amperomierz) i termometry!

3.22

Rozłączyć wszystkie przewody zasilające.

3.23

Opróżnić zbiorniczek odkryty z wody.

3.24

Przedstawić wyniki do zatwierdzenia prowadzącemu.

4.

O

PRACOWANIE WYNIKÓW

4.1

Dla każdego z natężeń zasilania z osobna wykonać wykres charakterystyki chłodniczej
(temperatura w funkcji czasu) T

chł

= f(t).

4.2

Dla prostoliniowego odcinka charakterystyki (należy odrzucić kilka początkowych i/lub
końcowych punktów pomiarowych) znaleźć metodą najmniejszych kwadratów współ-
czynnik nachylenia a

chł

i jego błąd (sugerujemy wykorzystanie programu Logger Pro).

4.3

Znaleźć moc chłodniczą dla danego natężenia prądu korzystając z zależności:
P

chł

= a

chł



C, gdzie C = 1100 J/K jest całkowitą pojemnością cieplną elementów przy-

łączonych do strony chłodzonej modułu Peltiera (płyta miedziana + zbiorniczek + wo-
da).

4.4

Obliczyć średnią moc prądu przepływającego przez moduł korzystając z zależności
P

el

= U

śr



I , gdzie U

śr

jest średnim napięciem przyłożonym do modułu (liczonym jako

średnia arytmetyczna z wartości U dla punktów branych do metody najmniejszych
kwadratów z podpunktu 4.2).

4.5

Obliczyć współczynnik wydajności chłodniczej korzystając z zależności:

el

chł

chł

P

P





.

4.6

Wyniki uzyskane dla wszystkich przebadanych natężeń prądu zebrać w tabeli:

I [A] P

el

[W] P

chł

[W]



chł

[-]

1

2

3

3,5

4

4,5

4.7

Wykonać wykres zależności P

chł

w funkcji natężenia prądu zasilającego I.

POMPA CIEPLNA PELTIERA

11

4.8

Odczytać z wykresu P

chł

= f(I

) optymalną wartość natężenia prądu zasilania modułu

Peltiera.

4.9

Wykonać wykres zależności temperatury minimalnej osiąganej w danej serii pomiaro-
wej w funkcji natężenia prądu I.

4.10

Sformułować wnioski na podstawie sporządzonych wykresów oraz obserwacji dokona-
nych podczas wykonywania punktu 3.19.

5.

Z

AKRES MATERIAŁU

Efekt Peltiera, zjawisko Thomsona, zjawisko Seebecka, równanie Thomsona,

przewodzenie ciepła, konwekcja, efekt Joule’a, wydajność chłodnicza, współczynnik wydaj-
ności chłodniczej pompy cieplnej wykorzystującej efekt Peltiera.

L

ITERATURA

[1] Elektronika dla Wszystkich, nr 7/97, 8/97.
[2] Encyklopedia Fizyki, t.1-3, PWN, Warszawa 1972.
[3] Fizyczne podstawy mikroelektroniki, G.I.Jepifanow, WNT, Warszawa 1976.

Wzory tabel dla punktów 3.11 i 3.19 instrukcji znajdują się, dla ułatwienia wydruku, na kolejnych
stronach.

POMPA CIEPLNA PELTIERA

12

czas

t

[s]

prąd

I

[A]

napięcie

U

[V]

temp.

T

chł

[K]

temp.

T

grz

[K]

czas

t

[s]

prąd

I

[A]

napięcie

U

[V]

temp.

T

chł

[K]

temp.

T

grz

[K]

0

1

0

3,5

60

60

120

120

180

180

240

240

300

300

360

360

420

420

480

480

540

540

600

600

czas

t

[s]

prąd

I

[A]

napięcie

U

[V]

temp.

T

chł

[K]

temp.

T

grz

[K]

czas

t

[s]

prąd

I

[A]

napięcie

U

[V]

temp.

T

chł

[K]

temp.

T

grz

[K]

0

2

0

4

60

60

120

120

180

180

240

240

300

300

360

360

420

420

480

480

540

540

600

600

czas

t

[s]

prąd

I

[A]

napięcie

U

[V]

temp.

T

chł

[K]

temp.

T

grz

[K]

czas

t

[s]

prąd

I

[A]

napięcie

U

[V]

temp.

T

chł

[K]

temp.

T

grz

[K]

0

3

0

4,5

60

60

120

120

180

180

240

240

300

300

360

360

420

420

480

480

540

540

600

600

POMPA CIEPLNA PELTIERA

13

czas t [s] prąd I [A] temp. T

chł

[K] temp. T

grz

[K]

0

60

120

180

240

300