Cose da sapere sugli elementi Peltier

• Cosa sono gli elementi Peltier?

• Come funzionano gli elementi Peltier?

• Come sono costruiti gli elementi Peltier?

• Quali sono i vantaggi e gli svantaggi degli elementi Peltier?

• Quali tipi di elementi Peltier sono disponibili?

• Per cosa si possono utilizzare gli elementi Peltier?

• Cosa si deve tenere in considerazione quando si utilizza un elemento Peltier?

Cosa sono gli elementi Peltier?

Gli elementi Peltier sono componenti elettrici che possono trasportare calore da un lato all'altro senza parti in movimento meccanico. Ultimamente si sono dimostrati elementi di raffreddamento o di stabilizzazione della temperatura in molti settori. Gli elementi Peltier sono noti a livello internazionale anche come "Thermoelectric Cooler", in breve "TEC".

Come funzionano gli elementi Peltier?

Nel 1834 lo scientifico francese Jean Peltier ha pubblicato un articolo sui suoi esperimenti elettrici con punti di contatto di diversi metalli. Quando collega le due estremità di un filo di bismuto con fili di rame e li collega a una batteria per far scorrere corrente, ha scoperto che un punto di contatto si riscalda e raffredda l'altro. In caso di inversione del flusso di corrente, si inverte anche l'effetto di riscaldamento e raffreddamento dei due contatti. La causa di questo effetto inizialmente non era nota. Solo dopo che le leggi termoelettriche sono state scoperte, c'è stata una spiegazione. Si tratta di processi di compensazione energetica di portatori di carica liberi nei punti di contatto, che si trovano su diversi livelli di energia a seconda del materiale. Per il salto ad un livello di energia più elevato, il vettore di carica ritira l'energia dall'ambiente sotto forma di calore. Quando si scende ad un livello più basso, il vettore di carica rilascia energia sotto forma di calore. Si crea una differenza di temperatura dipendente dalla corrente.

Già 15 anni prima, lo scientifico prussiano, con una struttura sperimentale simile, aveva scoperto che tra i due fili di rame si crea una tensione elettrica quando uno dei due punti di contatto viene riscaldato. Sia l'effetto Peltier che l'effetto Seebeck, utilizzati negli elementi termici, sono noti da tempo, ma possono essere utilizzati solo con lo sviluppo di tecnologie moderne. Poiché gli elementi Peltier e gli elementi termici sono simili, con un elemento Peltier si può generare anche una tensione elettrica riscaldando un lato e raffreddando l'altro.

Come sono costruiti gli elementi Peltier?

I moderni elementi Peltier sono composti da contatti tra il rame e la lega di bismuto (Bi2Te3) o il germanio di silicio (SiGe). Questo materiale ha la forma di piccoli cubi "dices", che vengono collegati tra loro tramite ponti di rame. Il tutto è fissato su un substrato in ceramica all'ossido di alluminio. Anche la parte superiore è coperta da una piastra in ceramica. Il diverso drogaggio N o P consente il collegamento in serie di un gran numero di tali elementi, in modo che su entrambi i lati della disposizione si trovino molti punti di contatto che si raffreddano o riscaldano in caso di flusso di corrente. Lateralmente, i cavetti sono realizzati per il collegamento di corrente. I "dices" drogati N e P sono collegati alternativamente con ponti in rame. 

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi degli elementi Peltier?

Gli elementi Peltier non dispongono di parti in movimento meccanico e possono raffreddare o riscaldare in uno spazio ridotto. Il calore trasportato e quindi la potenza di raffreddamento possono essere dosati con precisione con la corrente. Lo svantaggio è il basso rendimento rispetto al sistema di raffreddamento classico, che occupa molto più spazio e lavora con i compressori e richiede un mezzo di raffreddamento. Gli elementi Peltier si limitano quindi alle applicazioni con bassa potenza di trasferimento del calore nell'intervallo Watt.

Quali tipi di elementi Peltier sono disponibili?

Gli elementi Peltier standard sono generalmente realizzati in forma quadrata a sandwich (vedere figura 3) e sono realizzati in diverse dimensioni di pochi centimetri di lunghezza del bordo. La tensione d'esercizio dipende dalla quantità di dices e va da pochi a pochi dieci volt .

La potenza di raffreddamento che gli elementi Peltier possono generare è compresa tra alcuni watt e circa 100 watt.

La differenza di temperatura massima raggiungibile tra il lato caldo e quello freddo dell'elemento Peltier è di circa 70 K.

Per cosa si possono utilizzare gli elementi Peltier?

Gli elementi Peltier si trovano oggi in prodotti di consumo come ad esempio contenitori di raffreddamento termoelettrici, mini frigoriferi o deumidificatori. Si utilizzano elementi Peltier, ad esempio per raffreddare laser o sensori ottici, per ridurre il rumore dell'immagine. Anche come parte del radiatore di chip per computer, ad esempio la CPU, gli elementi Peltier si sono dimostrati efficaci grazie alla loro struttura compatta.

La frequenza di oscillazione dipendente dalla temperatura dei generatori di quarzo può essere mantenuta costante con l'aiuto di elementi Peltier indipendentemente dalla temperatura ambiente, in quanto possono riscaldarsi o raffreddarsi a seconda della direzione della corrente. In laboratorio è possibile impostare con l'aiuto di elementi Peltier le temperature, ad esempio, dei liquidi in modo preciso e riproducibile. Nella tecnica di analisi è possibile controllare la temperatura precisa del campione con l'aiuto di elementi Peltier.

Per un controllo ottimale degli elementi Peltier è disponibile uno speciale gruppo controller. L'unità display corrispondente mostra, tra l'altro Temperatura effettiva e nominale e funzionamento a caldo e a freddo. Con questi accessori è possibile p. es. Costruire dispositivi di laboratorio e di misurazione con regolazione precisa della temperatura.

Cosa si deve tenere in considerazione quando si utilizza un elemento Peltier?

Gli elementi Peltier devono essere installati in modo da poter assorbire il calore da un lato e dall'altro. . Se il calore si ripone su uno dei due lati, l'efficienza del processo di raffreddamento peggiora. È necessario un montaggio a superficie con bassa resistenza di transizione termica.

Pertanto, la pasta termoconduttiva deve essere applicata sulle superfici di contatto prima del montaggio. Sul lato caldo, la dissipazione del calore deve essere possibile e, in caso di maggiore potenza, deve essere supportata con un dissipatore di calore di grandi dimensioni e, se necessario, con una ventola.

• I limiti elettrici imax e Umax indicati nelle schede tecniche non devono essere superati.
• Gli elementi Peltier, che vengono spesso inseriti e spenti in determinate applicazioni, devono avere un'elevata resistenza al ciclo termico.
• Gli elementi Peltier disponibili in commercio sono conformi a RoHS.