background image

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) 

background image

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). 

 
 

background image

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 prąduModuł 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

 

background image

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%. 

background image

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? 
 

background image

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.  

 

background image

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 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.  

background image

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. 

 
 

     

 

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. 

background image

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] 

 

 

 

 

 

 

 

... 

 

 

 

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.

 

background image

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 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.  

background image

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. 

background image

POMPA CIEPLNA PELTIERA

 

 

 12 

 

 

czas 

t  

[s] 

prąd 

 [A] 

napięcie 

U  

[V] 

temp. 

T

chł

  

[K] 

temp. 

T

grz

  

[K] 

czas 

t  

[s] 

prąd 

 [A] 

napięcie 

U  

[V] 

temp. 

T

chł

  

[K] 

temp. 

T

grz

  

[K] 

 

 

 

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 

 [A] 

napięcie 

U  

[V] 

temp. 

T

chł

  

[K] 

temp. 

T

grz

  

[K] 

czas 

t  

[s] 

prąd 

 [A] 

napięcie 

U  

[V] 

temp. 

T

chł

  

[K] 

temp. 

T

grz

  

[K] 

 

 

 

 

 

 

60 

 

 

 

60 

 

 

 

120 

 

 

 

120 

 

 

 

180 

 

 

 

180 

 

 

 

240 

 

 

 

240 

 

 

 

300 

 

 

 

300 

 

 

 

360 

 

 

 

360 

 

 

 

420 

 

 

 

420 

 

 

 

480 

 

 

 

480 

 

 

 

540 

 

 

 

540 

 

 

 

600 

 

 

 

600 

 

 

 

 

czas 

t  

[s] 

prąd 

 [A] 

napięcie 

U  

[V] 

temp. 

T

chł

  

[K] 

temp. 

T

grz

  

[K] 

czas 

t  

[s] 

prąd 

 [A] 

napięcie 

U  

[V] 

temp. 

T

chł

  

[K] 

temp. 

T

grz

  

[K] 

 

 

 

4,5 

 

 

 

60 

 

 

 

60 

 

 

 

120 

 

 

 

120 

 

 

 

180 

 

 

 

180 

 

 

 

240 

 

 

 

240 

 

 

 

300 

 

 

 

300 

 

 

 

360 

 

 

 

360 

 

 

 

420 

 

 

 

420 

 

 

 

480 

 

 

 

480 

 

 

 

540 

 

 

 

540 

 

 

 

600 

 

 

 

600 

 

 

 

background image

POMPA CIEPLNA PELTIERA

 

 

 13 

 

 
 
 

czas t [s]  prąd I [A]  temp. T

chł

 [K]  temp. T

grz

 [K] 

 

 

 

60 

 

 

120 

 

 

180 

 

 

240 

 

 

300