Peltier-elementti

Peltier-elementti on lämpösähköinen puolijohde-elementti, joka Peltier'n ilmiön ansiosta mahdollistaa elementin kanssa lämpökontaktissa olevan kohteen jäähdytyksen tai lämmittämisen elementin läpi kulkevan sähkövirran napaisuuden mukaan. Peltier-ilmiön käänteisen ilmiön – Seebeckin ilmiön – ansiosta Peltier-elementtiä voidaan käyttää myös lämpöanturina tai sähkögeneraattorina .

Toimintaperiaate 

Johtimessa, jossa ei ole ulkoista vaikutusta, varauksenkantajat liikkuvat satunnaisesti. Lämpötilan vaihteluista johtuen joillakin varauksenkantajilla on korkeampi kineettinen energia ja joillain varauksenkantajilla pienempi liike-energia kuin varauksenkuljettajien keskimääräinen kineettinen energia. Niin kauan kuin kennon päät ovat samassa lämpötilassa ja niihin ei kohdistu sähköjännitettä, varauksenkuljettajien liike lasketaan keskiarvoksi ja keskimääräinen sähkövirta johtimessa on 0. Virta syntyy, kun kennoon syötetään jännite ( Ohmin laki ) tai syntyy lämpötilaero (Seebeck-ilmiö).

Korkeamman kemiallisen potentiaalin loppupäässä varauksenkuljettajien pitoisuus kasvaa korkeammilla energiatasoilla. Energian kasvaessa osa elementin varauksenkuljettajista siirtyy alueille, joilla varauksenkuljettajien pitoisuus on alhaisempi vastaavalla energiatasolla. Osa liikkuvien varauksenkuljettajien energiasta haihtuu viereisiin varauksenkuljettajiin. Korkean energiatason tyhjät tilat täyttyvät uusilla hiukkasilla, jotka ovat saaneet energiaa. Varauksenkuljettajat siirtyvät materiaalissa matalamman kemiallisen potentiaalin alueille.

Jos kennon päihin ei syötetä jännitettä (yhtenäinen kemiallinen potentiaali), mutta kennon päät ovat eri lämpötiloissa, niin varauksenkuljettajien energia on korkeampi lämpimämmässä päässä. Alkuaineen lämpimämmässä päässä korkeammat energiatasot ovat tiheämmin asuttuja, ja matalammilla energiatasoilla populaatio on harvempi kuin alkuaineen viileämmässä päässä. Varauksen kantajat, joilla on korkeampi energia, ajautuvat kennon viileämpään päähän, mikä myötävaikuttaa entropian kasvuun. Entropiaa lisää myös alhaisemman energian varauksenkantajien liikkuminen elementin lämpimämpään päähän. Koska korkeamman ja pienemmän energian varauksenkuljettajien liikkeet tapahtuvat vastakkaisiin suuntiin toistensa suhteen, poikkeaa kokonaisvirta nollasta vain, jos varauksenkuljettajien ajautuminen on nopeampaa yhteen suuntaan. Täysi virta näytetään , jossa lämpösähköinen kerroin  luonnehtii eron johtavuudessa suurienergisille ja matalaenergiaisille varauksenkantajille. Riippuen varauksenkuljettajien energiasta, niiden nopeuksista, niiden sironnasta materiaalissa, energiatasojen tiheydestä populaatiossa tai kaikesta yhdessä, ne voivat vaihdella.

Ilmiötä, jossa lämpötilaero aiheuttaa sähköjännitteen, kutsutaan Seebeck-ilmiöksi. Jos vapailla varauksenkantajilla on positiivinen varaus (P-tyyppinen puolijohde), niin positiivinen varaus kerääntyy kennon kylmälle puolelle, joka saa siten positiivisen potentiaalin. Jos vapaat varauksenkantajat ovat negatiivisia (N-tyyppinen puolijohde), kennon kylmä puoli saa negatiivisen potentiaalin. Seebeck-ilmiöstä johtuva sähköjännite  ilmenee näin:

  ,

missä  on lämpötilaero ja  on Seebeckin kerroin.

Lämpösähköinen generaattori 
Kytkemällä sähköisesti N- ja P-tyyppisten puolijohteiden kuumat päät ja lisäämällä kuormitusta kylmien päiden väliin, piiriin syntyy sähkövirtaa Seebeck-ilmiön vaikutuksesta. Lämpötilan ero aiheuttaa sähköjännitteen, ja lämmön liike mahdollistaa sähkövirran syntymisen.

Termosähköinen generaattori on jännitelähde, jonka sisäinen resistanssi johtuu lämpösähköisen materiaalin resistanssista. Ohmin lain mukaan (  ) jännitelähteen sisäisen resistanssin vuoksi kuormitettu jännite on pienempi kuin avoimen piirin jännite. Hyötysuhde on suurin, kun kuorman resistanssi vastaa jännitelähteen sisäistä vastusta.

Sähköjännite 
Sähköjännite kuormituksen aikana ilmenee muodossa:

 , 

missä  on kuormitettu jännite,  on ampeeri,  on generaattorin sisäinen vastus,  on Seebeckin kerroin ja  on lämpötilaero.

Sisäinen vastus 
Termosähköisen elementin vastus  riippuu kennon resistiivisuudesta , pituus  ja poikkileikkausala  :

Tehoa 
Yhteys  tämän perusteella lämpösähkögeneraattorin teho ilmaistaan seuraavasti:

 , 

missä  on lämpösähköisten elementtien kokonaispinta-ala.

Tehokkuus 
Generaattorin hyötysuhde ei riipu pelkästään tehosta, vaan myös syöttölämmöstä laitteen kuumalla puolella. Syöttölämpö kulutetaan lämpösähköisen prosessin aikana (Peltier-ilmiö), mutta osa lämmöstä hajaantuu generaattorin lämmönjohtavuuden vuoksi ( Fourier'n laki ) ja osa kuluu itse generaattorin resistiivisen lämmön vapautumisen voittamiseksi. Lämpösähköisten materiaalien lämmönjohtavuudesta johtuen osa lämmöstä vuotaa lämpimämmältä puolelta kylmemmälle puolelle, mikä alentaa lämpösähkögeneraattorin hyötysuhdetta.

Termosähköisestä materiaalista johtuvaa hyötysuhdetta kuvaa lämpökoneen hyötysuhde ja sähköterminen hyötysuhde. Lämpömoottorin tehokkuutta rajoittaa Carnot-syklin tehokkuus. Sähköterminen hyötysuhde riippuu Seebeck-kertoimesta, lämpösähköisen materiaalin sähkö- ja lämmönjohtavuudesta. Pienellä lämpötilaerolla suurin hyötysuhde ilmenee seuraavasti:

 

  ,

missä  on sähkövastus,  lämmönjohtokyky,  lämpösähköinen hyötysuhde ja  on lämpömoottorin hyötysuhde.

Sovellukset 
Seebeck-ilmiön ansiosta Peltier-elementtejä voidaan käyttää sähköntuottajina. Elementti toimii kuten lämpövoimakone, mutta siinä ei ole liikkuvia osia ja se on helpompi pienentää. Peltier-elementti on kuitenkin kalliimpi ja tehottomampi kuin tyypillinen lämpövoimakone.

Peltier-elementtejä käytetään voimalaitoksissa hukkalämmön muuntamiseen sähköksi ja autojen polttoainetehokkuuden lisäämiseen. Lämpösähköisiä generaattoreita käytetään avaruusluotaimissa muuttamaan radioaktiivisten isotooppien hajoamisesta vapautuvaa lämpöenergiaa sähköenergiaksi.

Ihmiskeho tuottaa 116 W istuessaan paikallaan, joka riittää LED-lampun tai kannettavan tietokoneen virtalähteeksi. Lämpösähköisiä generaattoreita käytetään myös sähköstimulaattoreiden (esim. sydämentahdistimien ) ja keinoelinten virtalähteenä. 

Mikroprosessorien transistoritiheyden kasvaessa myös pintayksikköä kohti vapautuva lämpöenergia kasvaa, josta osa voidaan muuntaa takaisin sähköenergiaksi.

Peltier-jäähdytys 
Soveltamalla ulkoista sähköpotentiaalia Peltier-elementtiin voidaan ohjata varauksenkuljettajien liikettä ja pakottaa lämpö siirtymään puolelta toiselle. Mitä enemmän lämpöä Peltier-jäähdytin joutuu haihduttamaan, sitä tehottomampi se on, koska lisääntynyt virrankulutus aiheuttaa myös enemmän lämpöä itse elementin sisällä. Peltier-elementin lämpimämmälle puolelle suunnattu lämmön määrä  on verrannollinen virtaan  :

  ,

missä  on Peltier-kerroin. Peltier-kerroin riippuu lämpötilasta ja kennon koostumuksesta.

Lämpösähköinen jäähdytys on noin 4 kertaa vähemmän tehokas (10-15 % ihanteellisen Carnot-syklin tehokkuudesta) kuin perinteisen puristussyklisen lämpövoimakoneen jäähdytys (40-60 % ihanteellisen Carnot-syklin tehokkuudesta).

Edut

 Liikkuvia osia ei ole.
 Freonia ei tarvita.
 Mahdollistaa lämpötilan säätelyn asteen murto-osan tarkkuudella.
 Muoto ja mitat tarpeen mukaan.
 Pitkä käyttöikä (yli 100 000 tuntia).
 Ohjataan jännitteellä tai virralla.

Haitat

 Erotettava lämpövirta on rajoitettu.
 Vähemmän tehokas kuin höyryn nesteytysjäähdytys.

Tehokkuus 
Termosähköisten jäähdyttimien tehokkuutta verrataan syntyneeseen enimmäislämpötilaeroon. Syntyvä suurin lämpötilaero riippuu lämpösähköisestä hyötysuhteesta seuraavasti:

 , 

missä  on alustan lämpötila ja  on jäähdytettävän pään lämpötila.

Rakentaminen 

Peltier-elementti koostuu N- ja P-tyypin puolijohteista, joilla on eri elektronitiheydet ja jotka on liitetty toisiinsa. Puolijohteet ovat termisesti ristiinkytkettyinä ja kosketuksissa lämpöjohdinlevyn kanssa kahdelta puolelta. Sähköisesti puolijohteet on kytketty sarjaan. Kun puolijohteiden sähkökontakteihin kytketään jännite, puolijohteiden läpi kulkee tasavirta, joka aiheuttaa lämpötilaeron kahden jäähdytyslevyn välille. Kylmä puoli imee lämpöä ja siirtää sen kuumalle puolelle, johon jäähdytin on yleensä kytketty.

Jäähdytyskapasiteetin lisäämiseksi muodostetaan monikerroksisia jäähdytyslaitteita pinoamalla päällekkäin elementtejä, joiden jäähdytysteho on verrannollinen toisiinsa kytkettyjen elementtien lukumäärään.

Materiaalit 
Materiaalilla, jolla on korkea lämpösähköinen tehokerroin, tulee olla korkea lämpösähköinen hyötysuhde , niillä on korkea Seebeck-kerroin (puolijohteet tai eristeet, joissa varauksenkantajat ovat tyhjentyneet) ja ne ovat hyvä sähköjohdin (metallit, joissa varauksenkantajia on paljon). Suuren Seebeckin kokonaisvaikutuksen saavuttamiseksi materiaalin tulisi sisältää vain yhden tyyppisiä varauksenkuljettajia. Sekä N- että P-tyypin johtavuuden käyttö aiheuttaa päinvastaisia Seebeck-ilmiöitä ja alhaisen lämpötehon . Hyvien lämpösähköisten materiaalien katsotaan olevan voimakkaasti seostettuja puolijohteita, joiden varauksenkantajapitoisuudet ovat alueella (1019–1021)/cm3 . 

Riittävän leveällä puskurivyöhykkeellä on mahdollista erottaa N- ja P-tyypin kantajat toisistaan, jotta saadaan materiaalia, jossa on samantyyppisiä kantajia. Puskurivyöhykkeen on kuitenkin oltava riittävän kapea, jotta varmistetaan varauksenkuljettajien suuri liikkuvuus ja siten hyvä sähkönjohtavuus.

Hyvä lämpösähköinen materiaali on myös huono lämmönjohdin. Sekä fononit että kiderakenteessa etenevät elektronit tai reiät vaikuttavat lämmönjohtavuuteen. Lämmönjohtavuutta voidaan vähentää häiritsemällä rakenteellista järjestystä, lisäämällä raskaita atomeja, luomalla atomiklustereita ja käyttämällä suuria yksikkösoluja sisältäviä materiaaleja.

Lämpösähköisten materiaalien ominaisuudet:

 puolijohteet kapealla kaistavälillä (jotta niitä voidaan käyttää huoneenlämmössä)
 raskaat elementit (hyvä varausten liikkuvuus, alhainen lämmönjohtavuus )
 suuri yksikkösolu, jolla on monimutkainen rakenne
 vahvasti anisotrooppinen tai vahvasti symmetrinen
 monimutkainen koostumus

Lämpösähköisinä puolijohteina käytetään vismuttitelluridia, lyijytelluridia, pii-germaniumia sekä vismutin ja antimonin seoksia. Yllä mainituista vismuttitelluridi on yleisin.

Integroidut Peltier-elementit 

Mikro-ohjainten toiminnan aikana syntyy korkeamman lämpötilan alueita, ja lämpötilasta riippuvaisten vuotovirtojen vuoksi mikro -ohjainten virrankulutus kasvaa. Jäähdytyslevyjen ja jäähdytyselementtien integrointi voi auttaa vähentämään mikro-ohjaimen virrankulutusta. On mahdollista jäähdyttää mikrokontrollerin koko pinta tai integroitujen Peltier-elementtien avulla tiettyjä mikrokontrollerin alueita. Jäähdyttämällä vain kuumimmat alueet voidaan välttää mikropiirin viileämpien alueiden alijäähdytys ja säästää jäähdytykseen käytettyä sähköenergiaa.

Poikittaissuuntaisissa Peltier-elementeissä p- ja n-puolijohteet pinotaan päällekkäin. Sen takia, että kuuma ja kylmä puoli voidaan tuoda hyvin lähelle toisiaan (jopa  ) ja koska elementti voidaan luoda suurella poikkileikkausalalla, on mahdollista siirtää suuria lämpömääriä nopeasti. Poikittaisten elementtien hyvän lämmönjohtavuuden vuoksi ne ovat kuitenkin hyvin herkkiä ympäristön lämpötilan vaihteluille, eivätkä ne sovellu lämpötilan vakauttamiseen. Sähkökontaktien sijoittelussa on otettava huomioon myös niiden lämmönjohtavuus, joka voi heikentää merkittävästi elementin tehokkuutta.

Sivusuunnassa olevissa Peltier-elementeissä sähkövirta ja lämpö kulkevat vain yhtä reittiä elementin kylmältä puolelta kuumalle puolelle. Pitkittäisiin elementteihin verrattuna sivuttaiset elementit tarjoavat näin ollen vakaamman ja ennustettavamman lämpötilaeron kuuman ja kylmän puolen välillä. Sivuttaiset elementit ovat myös vähemmän lämpöä johtavia, joten ne ovat vähemmän herkkiä ympäristön lämpötilan vaihteluille. Kylmää ja kuumaa puolta ei kuitenkaan voida tuoda niin lähelle toisiaan kuin pitkittäisissä elementeissä, joten sivuttaisissa elementeissä sivujen välinen sähkövastus on suurempi. Suuremman sähkövastuksen vuoksi siirrettävän lämmön määrä on rajallinen. Jäähdytystehoa on mahdollista lisätä myös pinoamalla päällekkäisiä Peltier-elementtejä peräkkäin, mutta tämä tekee valmistusprosessista epäkäytännöllisen. 

Mikrosiruihin integroituja Peltier-elementtejä käytetään kastepisteantureissa, optisissa antureissa lämpötilan stabilointiin ja tukijännitelähteissä säteilyantureille.

Lateraalisen termoparin valmistusvaiheet 
Yksi monista mahdollisista valmistusmenetelmistä sivuttaisille Peltier-elementeille.

 Nitriittisaostuminen. Piinitridikerros kerrostetaan piidioksidipuolijohdekiekon molemmille puolille kemiallisella höyrypinnoituksella . Päällimmäinen piinitridikerros on välttämätön alkalisen etsausprosessin pysäyttämiseksi. Alempaa piinitridikerrosta käytetään etsausmaskina.
 Monikiteisen pii-germaniumkerroksen kasvattaminen. Lämpösähköisen materiaalin  kasvattaminen suoraan piinitridipinnalle on vaikeaa (piinitridipinnoituksessa käytettävien klooriyhdisteiden vuoksi). Piinitridi levitetään pinnalle kemiallisella höyrypinnoituksella  tumakerros, jolla tapahtuu epitaksiaalista kasvua  . Termosähköinen materiaali seostetaan ja leikataan anisotrooppisella plasmaetsauksella .
 Oksidin laskeuma. Tetraetyyliortosilikaattia (TEOS) käytetään piidioksidin kemiallisessa höyrypinnoituksessa.
 Hehkutus. Piidioksidipinnoituksen jälkeen puolijohdekiekko hehkutetaan monikiteisen pii-germaniumin uudelleenkiteyttämiseksi. Hehkutus auttaa aktivoimaan seostettuja atomeja, vähentämään mekaanisia rasituksia lämpösähköisessä materiaalissa ja lisäämään piidioksidikerroksen tiheyttä.
 Metallisointi. Ionietsaus luo piidioksidiin reikiä sähköisiä koskettimia varten.  levitetään puolijohdekiekolle, joka sitten leikataan ionisyövytyksellä.
 Läpäisevä etsaus. Ensin kaliumhydroksidi syövytetään puolijohdekiekon läpi ylimpään piinitridikerrokseen. Kalvo leikataan sitten käyttämällä reaktiivista ionisyövytystä (eng. k. RIE ).

Katso myös 

 Lämpöpumppu

Lähteet
Peltier
Pricenfees, Peltier

Aiheesta muualla
Peltier-elementit, Tellurex 
 Caltechin materiaalitiede - lämpösähkö 
Sähkötekniikka
Kylmätekniikka
Sivut, joissa on tarkistamattomia käännöksiä