ZJAWISKO PELTIERA
1
ZJAWISKO PELTIERA
Na złączu dwóch różnych metali, przy przepływie prądu w odpowiednim
kierunku złącze pochłania ciepło. Ilość wydzielanego lub pochłanianego
ciepła jest proporcjonalna do natężenia prądu; zależy także od
zastosowanych materiałów.
W przypadku złącza wykonanego z dwóch różnych metali ta ilość ciepła
jest bardzo mała, dlatego w praktycznych zastosowaniach wykorzystuje
się np. pewnego rodzaju półprzewodniki, zazwyczaj odpowiednio
domieszkowane - tellurek bizmutu (Bi2Te3).
2
Budowa i zasada działania modułu Peltiera
Moduł Peltiera jest zbudowany z wielu połączonych ze sobą szeregowo
elementów półprzewodnikowych typu n i p. Zasada działania
pojedynczego modułu opiera się na złączu p-n.
Elementy są ułożone jednowarstwowo i połączone miedzianymi
płytkami, leżącymi na przemian na przeciwległych stronach.
Całość jest zabezpieczona materiałem izolacyjnym (pod wzgl.
elektrycznym) o bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym. Chociaż
materiał ten ma właściwości nieporównywalnie lepsze od metali, to,
ilość ciepła wydzielanego lub pochłanianego na pojedynczym złączu, nie
jest zbyt duża. Aby zwiększyć moc cieplną trzeba albo radykalnie
zwiększyć natężenie prądu (co napotyka na pewne ograniczenia), albo
zastosować większą ilość takich złącz (ogniw).
3
ZJAWISKO PELTIERA
W praktyce stosuje się właśnie połączenie większej liczby elementarnych ogniw.
Poniżej znajduje się Moduł Peltiera o wymiarach 40x40x3,8mm
4
Zasada działania modułu Peltiera
pochłanianie ciepła
izolator ceramiczny
-
+
płytki
p
n p n
n
miedziane
wydzielanie ciepła
prÄ…d I
_
kierunek ruchu
+
elektronów
5
Zasada działania modułu Peltiera
Swobodne nośniki ładunku mają po stronie n wyższe energie, niż po
stronie p. Jeżeli do układu zostanie podłączone napięcie, wymusza to
przepływ elektronów swobodnych z płytki p do n.
Elektrony pochodzą z pasma o niższej energii. Z uwagi na to, że niższe
pasma są całkowicie zapełnione, elektrony muszą zająć miejsce w
wyższym paśmie. Brakującą do tego celu energia jest, w postaci ciepła,
pobierana na styku p-n (następuje chłodzenie styku i obszaru wokół -
pochłanianie ciepła z otoczenia).
& & & & & & .
& & & & & &
& & & & & &
e
EF  poziom
Fermiego
& & & & & &
& & & & & &
& & & & & &
Uproszczony model pasmowy
złącza p-n
6
typ p
typ n
Zasada działania modułu Peltiera
W module występują również złącza typu n-p, w których elektrony z
półprzewodnika typu n przechodzą do półprzewodnika typu p, gdzie
mogą mieć niższą energię. Elektrony mogą oddać energię i zająć miejsca
na niższym poziomie, który jest tylko częściowo obsadzony. Oddawana
energia ma postać ciepła, więc następuje tu wydzielanie ciepła. Przepływ
prądu przez moduł powoduje przekazywanie ciepła z jednej strony na
drugą, co można przyrównać do  pompowania ciepła. Odwrócenie
kierunku przepływu prądu powoduje również odwrócenie kierunku
przepływu ciepła.
Intensywność przepływu ciepła zależy od natężenia prądu, jednak nie
rosnÄ… do niego proporcjonalnie. Jest to zwiÄ…zane ze znacznym wzrostem
ilości ciepła Joule a-Lentz a wydzielającego się w module, związanego
ze zderzeniami elektronów z jonami sieci krystalicznej, podczas
przepływu prądu, co jest przyczyną strat energii.
7
Zasada działania modułu Peltiera
ZÅ‚Ä…cza p -n
Elektrony pochodzą z pasma o niższej
energii. Ponieważ niższe pasma są
całkowicie zapełnione, elektrony muszą
zająć miejsce w wyższym paśmie.
BrakujÄ…cÄ… do tego celu energia jest,
w postaci ciepła, pobierana
na styku p-n (następuje chłodzenie
styku i obszaru wokół - pochłanianie
ciepła z otoczenia).
ZÅ‚Ä…cza n-p
elektrony z półprzewodnika typu n przechodzą do półprzewodnika typu p, gdzie mogą
mieć niższą energię. Elektrony mogą oddać energię i zająć miejsca na niższym
poziomie, który jest tylko częściowo obsadzony. Oddawana energia ma postać ciepła,
więc następuje tu wydzielanie ciepła.
8
Zasada działania modułu Peltiera
Oprócz  czystego zjawiska Peltiera w module występuje efekt Joule a,
który ilościowo można opisać wzorem określającym wydzielaną moc PJ.
Gdy przez przewodnik izotermiczny o oporności R płynie prąd
elektryczny I, w wyniku efektu Joule a tracona jest moc:
2
PJ =ð R×ð I
Im większy prąd płynący przez moduł Peltiera, tym więcej wydzieli się
w nim ciepła Joule a. Ten sam prąd I płynący przez moduł, powoduje
transport ciepła z jednej strony modułu na drugą.
I
QJ=P=U" I=I2 " R
E
U
R
moc wydzielona
9
9
w postaci ciepła
Przepływ ciepła w module Peltiera
Ciepło Joule'a, powstające w złączach p-n i n-p 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 10
urządzenie grzewcze sprawność jest większa niż 100%!
Zależność mocy cieplnych od natężenia prądu w module Peltiera
11
Zasada działania modułu Peltiera- zdolność chłodzenia
Zdolność chłodzenia modułu Peltiera jest również zależna od efektu
Joule a .Dla czystego zjawiska Peltiera zdolność transportowania ciepła,
a tym samym wydajność chłodnicza, zależy liniowo od natężenia
płynącego prądu. Ale im większy prąd tym większa ilość ciepła Joulea
(proporcjonalnie do I2) którą należy przetransportować na stronę gorącą.
Tak więc przy zwiększaniu natężenia prądu niepożądane ciepło Joule a
będzie rosnąć szybciej, niż ilość ciepła pompowanego w wyniku samego
zjawiska Peltiera i w końcu nastąpi stan, w którym moduł zacznie
transportować wyłącznie ciepło Joule a, czyli strona zimna nie będzie
pobierać ciepła z otoczenia. Złożenie dwóch krzywych, 1 i 2, daje
wypadkowa moc chłodzenia strony zimnej modułu  krzywa 3. Widać,
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.
12
Zasada działania modułu Peltiera
Kolejnym zjawiskiem pogarszającym wydajność chłodniczą jest
zjawisko termodynamicznego przewodzenia ciepła. Zjawisko
występuje 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 przypadku 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 moduł
musi przetransportować na stronę ciepłą kosztem ciepła
transportowanego w wyniku czystego zjawiska Peltiera (podobnie jak
przy cieple Joule a). Rys. z kolejnego slajdu pokazuje jak zmienia siÄ™
krzywa wypadkowej mocy chłodzenia w zależności od różnicy
13
temperatur na okładkach modułu Peltiera.
Zasada działania modułu Peltiera
DðT=0
DðT114
Zasada działania modułu Peltiera
Zwiększanie prądu w zakresie od 0 do Imax będzie powodować
zwiększanie różnicy temperatur obu stron modułu (od zera do jakiejś
wartoÅ›ci DðTmax). Ale zwiÄ™kszanie różnicy temperatur spowoduje coraz
większe przewodzenie ciepła ze strony gorącej do zimnej. Przy prądzie
Imax oraz różnicy temperatur DðTmax suma szkodliwego ciepÅ‚a
przewodzenia i ciepła Joule'a stanie się równa ilości ciepła jaką może
przepompować moduł. Cała moc modułu 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 rys. widać wyraz
nie, że największą moc chłodzenia uzyskamy gdy
różnica temperatur wynosi zero stopni. Taka sytuacja ma miejsce jednak
tylko w momencie początkowym po podłączeniu modułu do prądu.
15
Sprawność modułu Peltiera
Ilość wydzielanego lub pochłanianego ciepła może być obliczona ze
dQ
wzoru:
P =ð =ð pð ×ð I
dt
Q
=ð P =ð pð ×ð I =ð að ×ðT ×ð I
t
gdzie:
ą  współczynnik Seebecka,
Ą  współczynnik Peltiera,
T  temperatura bezwzględna.
Jeżeli przez przewodnik jednorodny płynie prąd I w kierunku gradientu temperatury
dT/dx, to ciepło zostanie pochłonięte lub oddane, zależnie od materiału (efekt
Thomsona):
tð ×ð I ×ð DðT
PT =ð
dx
gdzie:
Ä  współczynnik Thomsona.
Kierunek przepływu ciepła jest uzależniony od kierunku przepływu prądu oraz od
16
zwrotu gradientu temperatury.
Sprawność modułu Peltiera
Moc Pj wydzielająca się wskutek zjawiska Joule a podczas przepływu prądu w
przewodniku jest przedstawiona wzorem:
2
PJ =ð R×ð I
Ciepło, na skutek przewodzenia, przepływa ze strony gorącej (o temperaturze TG)
do zimnej (o temperaturze TZ):
L×ð A×ðDðT
PL =ð
gdzie:
d
"T =TG-TZ ,
L  przewodnictwo,
A  pole przekroju poprzecznego,
d  grubość modułu Peltiera.
Pojemność cieplna modułu po stronie zimnej (zdolność chłodzenia) wynosi:
tð ×ð I ×ðDðT 1 L×ð A×ðDðT
2
-ð PZ =ð að ×ðTz ×ð I Ä…ð -ð R×ð I -ð
2d 2 d
17
Sprawność modułu Peltiera
Z kolei pojemności cieplna po stronie gorącej może być obliczona ze wzoru:
tð×ðI×ðDðT 1 L×ðA×ðDðT
2
+ð P =ð að×ðT ×ðI Ä…ð -ð R ×ðI -ð
G G
2d 2 d
Dostarczona moc elektryczna wynosi:
tð×ðI×ðDðT
2
+ð P =ð að×ðDðT ×ðI +ð +ð R ×ðI =ð U ×ðI
el p p
d
Sprawność chłodzenia można obliczyć ze wzoru:
PZ
hð =ð
Pel
PG
Z kolei sprawność grzania:
hð =ð
Pel
18
Sprawność modułu Peltiera
zdolność chłodzenia
efekt
Thomsona
tð×ð I×ðDðT
PZ
P =ð
T
TZ
2d
efekt
að ×ð
RI2/2
zz
T×ð×ðII
Joule a að×ðT
að ×ð I ×ðDðT
Ciepło przewodzenia
Pel d
L×ð A×ðDðT
PL =ð
að ×ðTG ×ð I
d
efekt
RI2/2
Joule a
TG
PG
tð×ð I×ðDðT
pojemności cieplna
P =ð
T
efekt
po stronie gorÄ…cej
2d
Thomsona
19
Dokładny bilans mocy w module
TG
PG
t
Ip
Pojemność cieplna modułu jako funkcja natężenia Temperatura gorącej strony jako
prÄ…du funkcja czasu
20
T
T
TG
a
b
Tz
t
t
Temperatura wody jako funkcja czasu Temperatura wody podczas chłodzenia
strony gorÄ…cej za pomocÄ…
chłodnicy
a) chłodzenie konwekcyjne
b) chłodzenie wymuszone
21
CHA
ODZIARKA
Rysunek 9 pokazuje sytuację, jak wytwarza się przy wykorzystaniu modułu Peltiera do
budowy chłodziarki, czy też komory klimatycznej. Po włączeniu prądu moduł  wyciąga
ciepło z wnętrza chłodziarki. Temperatura wewnątrz chłodziarki spada. Zwiększa się
różnica temperatur między stroną gorącą a zimną modułu, co zgodnie powoduje
zmniejszanie się mocy chłodzenia strony zimnej.Wzrasta też różnica temperatur między
wnętrzem chłodziarki a otoczeniem. Izolacja komory chłodziarki na pewno nie jest
idealna, więc wskutek przewodzenia materiału izolacyjnego obudowy chłodziarki, jakaś
ilość ciepła napływa z otoczenia do chłodzonej komory. To ciepło musi być
wypompowane przez moduł. W pewnym momencie ustali się wiec stan równowagi.
Ilość ciepła napływającego przez niedoskonałą izolację termiczną komory będzie na
bieżąco wypompowywana przez moduł. We wnętrzu ustali się jakaś temperatura.
Od czego będzie zależeć ta temperatura? Przypuśćmy, że prąd jest równy
Imax. Temperatura ta na pewno będzie zależeć od temperatury strony gorącej 
temperatura Th powinna być jak najniższa. Czym lepszy radiator i lepsze
odbieranie ciepła ze strony gorącej, tym lepiej. Kluczową kwestią jest więc
sprawa radiatora umieszczonego na stronie gorÄ…cej. Dla uzyskania dobrych
wyników koniecznie trzeba tu stosować dobre radiatory, najlepiej z chłodzeniem
wodnym, ostatecznie z chłodzeniem powietrznym wymuszonym za pomocą
wydajnego wentylatora.
CHA
ODZIARKA
Zastosowanie zjawiska Peltiera
Zastosowania  domowe :
" małe lodówki do domu, samochodu, łodzi i na piknik
" urzÄ…dzenia klimatyzacyjne
" chłodzenie cieczy
" termostaty do akwarium i terrarium
" pojemniki o kontrolowanej temperaturze (np. do przechowywania win)
" stroje o regulowanej temperaturze (chłodzenie kasków motocyklowych,
odzież do regulacji temperatury ciała ludzkiego)
Zastosowania w biologii i medycynie:
" aparat do zamrażania tkanek
" przyrządy w kriochirurgii (operacje gałki ocznej)
" przechowywanie preparatów biologicznych i transport
" urzÄ…dzenia do terapii niskimi i wysokimi temperaturami
" urządzenia do chłodzenia próbek biologicznych w syntezie DNA
25
Zastosowanie zjawiska Peltiera
Zastosowania w technice:
" higrometr
" urzÄ…dzenia termostatujÄ…ce (np.  sztuczne zero )
" wymrażarki próżniowe
" procesy topienia strefowego i postępującej krystalizacji
" chłodzenie diod laserowych
" chłodzenie detektorów podczerwieni (noktowizory)
" chłodzenie elementów elektronicznych (np. procesorów)
" chłodzenie kwarcowych stabilizatorów częstotliwości
" chłodzenie cieczy w układach chłodzących aparatury pomiarowej
" miniaturowe chłodnice stopni wejściowych radioodbiorników i
wzmacniaczy o bardzo wysokiej czułości
" chłodzenie generatorów wysokiej mocy
26