El elemento Peltier es un convertidor termoeléctrico , cuyo principio se basa en el efecto Peltier : la aparición de una diferencia de temperatura cuando fluye una corriente eléctrica. En la literatura inglesa, los elementos Peltier se designan como TEC (del inglés T ermo e lectric C ooler - enfriador termoeléctrico).
El efecto inverso del efecto Peltier se llama efecto Seebeck .
El funcionamiento de los elementos Peltier se basa en el contacto de dos materiales semiconductores con diferentes niveles de energía electrónica en la banda de conducción. Cuando la corriente fluye a través del contacto de dichos materiales, el electrón debe adquirir energía para pasar a una banda de conducción de mayor energía de otro semiconductor. Cuando se absorbe esta energía, el punto de contacto de los semiconductores se enfría. Cuando la corriente fluye en sentido contrario, el punto de contacto de los semiconductores se calienta, además del efecto térmico habitual.
Cuando los metales entran en contacto , el efecto Peltier es tan pequeño que es invisible en el contexto del calentamiento óhmico y los fenómenos de conducción térmica. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, se utiliza el contacto de dos semiconductores.
El elemento Peltier consta de uno o más pares de pequeños paralelepípedos semiconductores : uno tipo n y otro tipo p en un par (generalmente telururo de bismuto Bi 2 Te 3 y solución sólida SiGe ), que están conectados en pares mediante puentes metálicos. Los puentes de metal sirven simultáneamente como contactos térmicos y están aislados con una película no conductora o placa de cerámica. Los pares de paralelepípedos están conectados de tal manera que se forma una conexión en serie de muchos pares de semiconductores con diferentes tipos de conductividad, de modo que en la parte superior hay una secuencia de conexiones (n->p), y en la parte inferior - opuesta (p -> n). La corriente eléctrica fluye secuencialmente a través de todos los paralelepípedos. Dependiendo de la dirección de la corriente, los contactos superiores se enfrían y los contactos inferiores se calientan, o viceversa. Así, la corriente eléctrica transfiere calor de un lado del elemento Peltier al lado opuesto y crea una diferencia de temperatura.
Si enfría el lado de calentamiento del elemento Peltier, por ejemplo con un radiador y un ventilador , la temperatura del lado frío se vuelve aún más baja. En las celdas de una etapa, dependiendo del tipo de celda y la magnitud de la corriente, la diferencia de temperatura puede ser de hasta aproximadamente 70 °C.
La ventaja del elemento Peltier es su pequeño tamaño, la ausencia de partes móviles, así como de gases y líquidos. Cuando se invierte la dirección actual, tanto el enfriamiento como el calentamiento son posibles; esto hace posible el control de temperatura a una temperatura ambiente tanto por encima como por debajo de la temperatura de control de temperatura . Otra ventaja es la falta de ruido.
La desventaja del elemento Peltier es una menor eficiencia que las unidades de refrigeración con compresor de freón, lo que conduce a un gran consumo de energía para lograr una diferencia de temperatura notable. A pesar de esto, se están realizando desarrollos para aumentar la eficiencia térmica, y los elementos Peltier se utilizan ampliamente en tecnología, ya que se pueden lograr temperaturas por debajo de 0 °C sin ningún dispositivo adicional.
El principal problema en la construcción de elementos Peltier con alta eficiencia es que los electrones libres en una sustancia son portadores tanto de corriente eléctrica como de calor. El material para el elemento Peltier debe tener simultáneamente dos propiedades mutuamente excluyentes: es bueno para conducir la corriente eléctrica, pero es malo para conducir el calor.
En baterías de elementos Peltier [1] , es posible lograr una mayor diferencia de temperatura, pero la capacidad de enfriamiento será menor. Para estabilizar la temperatura, es mejor usar una fuente de alimentación conmutada, ya que esto aumentará la eficiencia del sistema. Al mismo tiempo, es deseable suavizar las ondas de corriente; esto aumentará la eficiencia del elemento y, posiblemente, extenderá su vida útil. Además, la operación del elemento Peltier será ineficiente si intenta estabilizar la temperatura utilizando la modulación de ancho de pulso de la corriente.
Los elementos Peltier se usan en situaciones donde se requiere enfriamiento con una pequeña diferencia de temperatura o la eficiencia energética del enfriador no es importante. Por ejemplo, los elementos Peltier se utilizan en amplificadores de PCR , frigoríficos de coches pequeños , carros de banquetes refrigerados utilizados en catering, ya que el uso de una unidad de refrigeración de compresor en este caso es imposible o poco práctico debido a las limitaciones generales, y, además, el enfriamiento requerido la capacidad es pequeña.
Además, los elementos Peltier se utilizan para enfriar dispositivos acoplados por carga en cámaras digitales. Debido a esto, se logra una reducción notable del ruido térmico durante exposiciones prolongadas (por ejemplo, en astrofotografía). Los elementos Peltier de etapas múltiples se utilizan para enfriar los receptores de radiación en sensores infrarrojos (por ejemplo, en misiles de defensa aérea, MANPADS "Javelin", "Stinger" de producción estadounidense, etc.).
Además, los elementos Peltier se usan a menudo para enfriar y controlar la temperatura de los láseres de diodo para estabilizar la temperatura del emisor y debido a la longitud de onda de la radiación.
En aparatos donde la potencia de refrigeración es baja, los elementos Peltier se utilizan a menudo como segunda o tercera etapa de refrigeración. Esto hace posible alcanzar temperaturas 30-40 grados más bajas que con los enfriadores de compresión convencionales (hasta -80 °C para refrigeradores de una etapa y hasta -120 °C para los de dos etapas).
Algunos entusiastas usan el módulo Peltier para enfriar sus procesadores cuando necesitan un enfriamiento extremo sin nitrógeno. [2] [3] Antes del enfriamiento con nitrógeno, se utilizó este método.
" Generador de energía Peltier " (más correctamente sería "Generador Seebeck", pero el nombre incorrecto se ha asentado): un módulo para generar electricidad, un módulo generador termoeléctrico, abreviatura GM, TGM. Este termogenerador consta de dos partes principales:
Además, los refrigeradores Peltier se han utilizado en dispositivos de refrigeración para armarios eléctricos de CC y otros equipos de CC, así como para equipos de refrigeración para los que las dimensiones generales compactas, la inmunidad a la orientación espacial y la falta de mantenimiento son de importancia decisiva.