ΠΩΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΟΥΝ ΟΙ ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ


Το απλούστερο θερμοηλεκτρικό στοιχείο (Thermoelectric Element – ΤΕ), TEG ή TEC, μπορεί να κατασκευαστεί από δύο παραλληλεπίπεδα τεμάχια θερμοηλεκτρικού υλικού, όπου το ένα είναι p τύπου ενώ το άλλο n  τύπου. Οι επίπεδες επιφάνειές τους, συνδέονται ηλεκτρικά με μεταλλικούς αγωγούς, όπως στο σχήμα που ακολουθεί. Τα υλικά τύπου p μεταφέρουν την θερμότητα προς την ίδια κατεύθυνση με τη φορά του ηλεκτρικού ρεύματος, ενώ τα τύπου n  προς την αντίθετη. Επομένως, στη διάταξη του σχήματος, οι κάτω επιφάνειες απορροφούν θερμότητα και ψύχονται, ενώ οι επάνω δέχονται την μεταφερόμενη θερμότητα και θερμαίνονται.



Σχηματικό διάγραμμα θερμοηλεκτρικού στοιχείου ψύξης,
που  αποτελείται από p και n τύπου θερμοηλεκτρικά υλικά.

Αντίστοιχα, θα μπορούσε να κατασκευαστεί θερμοηλεκτρικό στοιχείο με την χρήση δύο τεμαχίων τύπου p (ή δύο τύπου n). Στην περίπτωση όμως αυτή (σχήμα), οι μεταλλικοί αγωγοί σχηματίζουν ανεπιθύμητες θερμογέφυρες και η πολυπλοκότερη ηλεκτρική συνδεσμολογία δημιουργεί κατασκευαστικά προβλήματα , ειδικά όταν πρόκειται να συνδεθούν περισσότερα των δύο θερμοστοιχεία.


Σχηματικό διάγραμμα θερμοηλεκτρικού στοιχείου ψύξης,
που αποτελείται από δύο τύπου p θερμοηλεκτρικά υλικά.

Οι θερμοηλεκτρικές διατάξεις (ΤΕ modules) κατά κανόνα κατασκευάζονται ως συστοιχία p/n θερμοηλεκτρικών στοιχείων, τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους ηλεκτρικά σε σειρά, ενώ θερμικά παράλληλα (σχήμα που ακλουθεί). Δύο κεραμικές πλάκες στην επάνω και κάτω πλευρά, εξασφαλίζουν την ηλεκτρική μόνωση των στοιχείων και την μεταφορά της θερμότητας.


Σχηματικό διάγραμμα θερμοηλεκτρικής διάταξης.
Τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία συνδέονται ηλεκτρικά σε σειρά και θερμικά παράλληλα.

Οι θερμοηλεκτρικές διατάξεις που διατίθενται εμπορικά, περιέχουν από ένα ζεύγος έως μερικές εκατοντάδες θερμοστοιχεία από βισμούθιο-τελλούριο (Bi2Te3),  ενώ για την επίτευξη υψηλότερης θερμοκρασιακής διαφοράς (ΔΤ) στην ψύξη, κατασκευάζονται διατάξεις περισσοτέρων του ενός (έως και έξι) επιπέδων, όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί.


Διάφοροι τύποι θερμοηλεκτρικών διατάξεων [www.melcor.com]

Η τάση, το ρεύμα και οι θερμοκρασίες λειτουργίας των διαφόρων θερμοηλεκτρικών διατάξεων ποικίλλει, όπως και η ικανότητα άντλησης θερμότητας. Η τάση που επικρατεί τελευταία, είναι η κατασκευή modules με μεγάλο αριθμό ζευγών, που λειτουργούν σε χαμηλότερες εντάσεις ρεύματος. Η θερμοκρασία λειτουργίας της θερμής πλευράς των περισσοτέρων ΤΕ modules περιορίζεται στην περιοχή των 80-100 οC, αν και κατασκευάζονται σειρές που αντέχουν έως 225  οC. Το κύριο πρόβλημα στις ψηλές θερμοκρασίες, είναι η αντοχή των συγκολλήσεων.

Οι κεραμικές πλάκες κατασκευάζονται κατά κανόνα από αλουμίνα (Al2Ο3) και οι συγκολλήσεις γίνονται από BiSn ή SnSb στις σειρές που είναι ανθεκτικές στις ψηλές θερμοκρασίες.

 

Αναφορές

CRC Handbook of Thermoelectrics by D.M. Rowe (1995)

Melcor Handbook, www.melcor.com

Tellurex Corporation, www.tellurex.com

 

 

Επιστροφή στην αρχή

 

Copyright © 2008 ATHENA-2 Lab. All Rights Reserved.