Peltierovy prvky aneb Moje cesta ke kryogenním teplotám / Habr

Mnozí slyšeli o „magických“ Peltierových prvcích – když jimi prochází proud, jedna strana se ochladí a druhá se zahřívá. To funguje i v opačném směru – pokud je jedna strana ohřívána a druhá ochlazována, vzniká elektřina. Peltierův jev je znám již od roku 1834, ale dodnes jsme nadšeni inovativními produkty, které jsou na něm založené (jenom musíme mít na paměti, že při výrobě elektřiny, jako jsou solární panely, existuje bod maximálního výkonu, a pokud pracovat daleko od něj, tvorba efektivity je značně snížena).

V poslední době Číňané vystupňovali svou hru a zaplavili internet svými relativně levnými moduly, takže experimenty s nimi už nestojí příliš peněz. Číňané slibují maximální teplotní rozdíl mezi teplou a studenou stranou 60-67 stupňů. Hmmm. Co když vezmeme 5 prvků a zapojíme je do série, pak bychom měli dostat 20C-67*5 = -315 stupňů! Ale něco mi říká, že všechno není tak jednoduché.

Klasické „čínské“ Peltierovy prvky je 127 prvků zapojených do série a připájených na keramickou „desku s plošnými spoji“ vyrobenou z Al2O3. Pokud je tedy provozní napětí 12 V, pak každý prvek představuje pouze 94 mV. Existují prvky s různým počtem po sobě jdoucích prvků a podle toho i s jiným napětím (například 5V).

Musíme si pamatovat, že Peltierův článek není rezistor, jeho odpor je nelineární, takže pokud použijeme 12V – nemusíme dostat 6 ampér (pro 6 ampérový prvek) – proud se může měnit v závislosti na teplotě (ale ne příliš mnoho). Také při 5V (tedy méně než je jmenovitá hodnota) nebude proud 2.5A, ale menší.

Množství přeneseného tepla je úměrné proudu. Ale kromě toho je tu parazitní ohřev od toku proudu a parazitní tepelná vodivost – to vše dělá Peltierův článek alespoň trochu účinným ve velmi úzkých podmínkách.

Kromě toho je množství přenášeného tepla vysoce závislé na teplotním rozdílu mezi povrchy. S rozdílem 60-67C má přenos tepla tendenci k 0 a s nulovým rozdílem – 51 Watt pro 12*6 = 72W prvek. Zjevně to již neumožňuje tak snadné zapojování prvků do série – každý další musí mít menší velikost než předchozí, jinak se nejchladnější prvek pokusí vydat více tepla (72 W) než prvek další stupeň může sám procházet při požadovaném teplotním rozdílu (1-51W).

Peltierovy prvky jsou montovány nízkotavnou pájkou s bodem tavení 138C – pokud by tedy prvek náhodou zůstal bez chlazení a přehříval se, pak bude stačit rozpájet jeden z 127*2 kontaktů a prvek vyhodit na skládku. No, prvky jsou velmi křehké – jak keramika, tak samotné chladicí prvky – omylem jsem roztrhl 2 prvky “podélně” kvůli těsně zaschlé tepelné pastě:

Takže malý prvek je 5V * 2A, velký je 12 * 9A. Chladič s heatpipe, pokojová teplota. Výsledek: -19 stupňů. Zvláštní. 20-67-67 = -114, ale ukázalo se, že je to žalostných -19.

Myšlenka je vyndat vše na mrazivý vzduch, ale je tu problém – chladič heatpipe se dobře ochladí pouze tehdy, když teplota „horké“ a „studené“ strany chladiče leží na opačných stranách plynné kapaliny. fázový přechod výplně trubek. V našem případě to znamená, že chladič v zásadě není schopen uchladit nic pod +20C (protože dole fungují jen tenké stěny heatpipe). Budeme se muset vrátit k základům – k celoměděnému chladicímu systému. A aby omezený výkon chladiče neovlivnil měření, přidáváme kilogramovou měděnou desku – tepelný akumulátor.

Výsledek je šokující – stejných -19 s jedním i dvěma stupni. Okolní teplota je -10. Tito. s nulovou zátěží jsme udělali sotva ubohých 9 stupňů rozdílu.

Ukázalo se, že chladírna č. 7 není daleko ode mě a rozhodl jsem se zastavit s kartonovou krabicí. Vrátil se s 5 kilogramy suchého ledu (teplota sublimace -78C). Spustíme tam měděnou konstrukci – zapojíme proud – při 12V začne teplota okamžitě stoupat, při 5V klesne o 1 stupeň za vteřinu a pak rychle vzroste. Všechny naděje jsou zmařeny.

Účinnost konvenčních čínských Peltierových prvků rychle klesá při teplotách pod nulou. A i když je stále možné chladit plechovku koly se zdánlivou účinností, teploty pod -20 nelze dosáhnout. A problém není v konkrétních prvcích – zkoušel jsem prvky různých modelů od 3 různých prodejců – chování stejné. Zdá se, že kryogenní stupně vyžadují prvky z jiných materiálů (a možná každý stupeň vyžaduje jiný materiál prvku).

Se zbývajícím suchým ledem můžete udělat následující:

PS. A pokud smícháte suchý led s isopropylalkoholem, získáte tekutý dusík pro „chudé“ – stejně zábavné je zmrazovat a lámat květiny atd. Je to jen proto, že se alkohol při kontaktu s pokožkou nevaří, a proto je mnohem snazší získat omrzliny.