Краткая теория
Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).
Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т. меньше номинала) ток будет не 2. 5А, а меньше.
Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.
Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).
Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:
Пробуем
Итак, маленький элемент — 5В*2А, большой — 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…
Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.
Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.
Выкатываем тяжелую артиллерию
Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…
Замутить холодильник на элементах пельтье очень просто, но эффективность такого холодильника будет очень низка. Здесь я приведу пример примерных расчетов.
И так первое, это расчет тепловых потерь через теплоизолятор. Я использовал пенополистирол, он прочный, дешевый и его теплопроводность 0,03(чем меньше это число тем лучше). Например в бауцентре на их сайте указаны характеристики теплоизоляторов. Далее, допустим я захотел сделать что то типа куба, объем примерно 25 литров, площадь поверхности у меня получилась 0. 5 квадратного метра. Допустим температура внутри моего контейнера будет на 20 градусов меньше наружной. Тогда теплопотери считаются так: Q=X*S*dT/h Q= 0. 03*0. 5*20/0. 05=6ватX — теплопроводность 0. 03S — площадь поверхности 0. 5 (я брал среднюю между внутренней и внешней)dT — разница температур между то что внутри и снаружи 20. h — толщина изолятора, (пусть будет 5см или 0. 05м)Q — энергия теплопотерьПолучилось 6 ват, если изолятор был бы 1см, а не 5, то потери стали бы 30 ватт. Что касается разницы температур, то 20 градусов это минимум, например если снаружи +30 градусов, то внутри будет +10, а если снаружи +40 то внутри уже +20.
Проверить реальные потери термоконтейнера можно с помощью льда. Например килограмм льда дает 350 кдж холода, при потерях 6 ват это 350 000/6 = 58333 секунд или чуть больше 16 часов, если лед не растаял раньше значит все правильно. Единственно это то что температура в контейнере со льдом должна быть на 20 градусов меньше окружающей. В противном случае нужно сделать перерасчет теплопотерь под ту температуру что получилась со льдом.
Измерения производительности пельтье. В своих опытах я использовал элементы TEC1 12706 — 6 ампер и TEC1 12704 — 4 ампера, и мультиметр с термопарой.
Далее я попытался определить производительность элементов, для этого я соединял их последовательно, верхний я использовал как нагреватель(потому что у них одинаковая площадь поверхности), а нижний пытался охолодить верхний, подсовывая термопару между ними я измерял температуру до которой нижнему элементу удавалось холодить верхний. Метод так себе, я мог измерять только температуру между ними только по периметр, а не в середине. В процессе измерения заметил что качество контакта играет очень большую роль. Например измеряя температуру по периметру я замечал что она не одинакова, это из-за не полного контакта с термопастой. Более тщательная притирка решила эту проблему. Результат получился следующий, оба элемента при разности температур 20 градусов и напряжении 13. 5 вольта давали производительность по холоду около 1/3 от потребляемой мощности. Точность измерения не высока, я мерил температуру сбоку, это не очень точный метод, но лучше чем ничего. В итоге если мощность элемента 4А*13. 5V=54 ват, то холода он даст только на 18 ват при разности температур 20 градусов. Но все не так здорово, 20 градусов это разности температур между поверхностями, а еще это тепло нужно передать воздуху. Продолжаем эксперимент. Максимальная разность температур у этих элементов 40 — 45 градусов(проверял при напряжении 13. 5 вольта), хотя заявлено было 60 — 65. Тут следует учесть что холодная сторона элемента брала часть тепла (я думаю не больше 1 ватта) от воздуха даже без радиатора, а вот если бы ее полностью теплоизолировать и напряжение поднять то может и будет разность температур 60 градусов, а может китайцы специально завысили возможности своих элементов в описании.
Тест производительности радиаторов.
Я измерял температуру между поверхность элемента TEC1 12706 (сверху его нагревал TEC1 12704 мощность 18 ват) и окружающим воздухом. Использовал радиатор от видеокарты процессора и от водянки. Результаты следующие. У водяники разница температур между водой и поверхностью элемента 6 градусов. Водяной насос качал воду быстро, в радиаторе она нагреваться не успевала, то есть до и после температура воды была примерно одинакова, я использовал тазик для охлаждения воды, в реальных условиях будет что то более компактное и тогда надо будет еще учитывать разницу температур между воздухом и водой. Далее радиатор видеокарты. Разница между поверхностью пельтье и воздухом 13 — 14 градусов. Радиатор от процессора — 18 градусов. В итоге получается что элемент пельтье дает разницу температур в 20 между своими поверхностями и от этих 20 градусов еще нужно отнять потери на радиаторе. Например в помещении +30, температура поверхности элемента охлаждаемого радиатором карты будет 30 + 13 = 43 градуса, температура холодной стороны элемента будет 43-20=23 градуса. это при мощности холода 18 ват, меньше холода больше разница температур, однако из предыдущих опытов видно что при разности в 40 градусов производительность по холоду меньше 1 вата. Теперь производительность радиатора который будет морозить. Радиатор с теплотрубками не подходит, как показала практика при температуре меньше +30 их производительность резко падает. Я использовал радиатор от старого процессора без теплотруб, пришлось извратиться закрепить термопару к холодной поверхности затем закрыть свой контейнер, и подождать пока охладиться, затем измерил так же температуру воздуха внутри, получилась разница 2 — 3 градуса.
Последовательное соединение элементов. Если взять 2 элемента и соединить последовательно то разность температур которую они создают сложиться. Наибольшая эффективность у этих элементов получилась при разности 20 градусов, складываем 2 и получаем разность 40 градусов, вот только условие таково что разность мощности элементов должна быть 1 к 3, то есть если TEC1 12706 дает только 18 ватт холода, то элемент на нем должен иметь мощность не больше 18 ват при 13. 5 вольта, это где то 2 ампера, попытка ограничить ток TEC1 12704 до 2 ампер немного снижает его эффективность, то есть при 2 амперах он не даст разницы температур 20 и 6 ват холода. Элементы на 2 ампера имеют меньшую площадь, в результате возникает проблема как тепло от маленького элемента равномерно распределить по площади большого. Дополнительная пластина создаст дополнительные теплопотери внутри себя и на термопасте. Решил оставить TEC1 12704 и ограничить его ток резистором, на мой взгляд снижение эффективность от снижения тока меньше чем дополнительные потери на пластине между элементами.
Производительность сборки элементов. И так, реальная производительность холода моей сборки. напряжение у меня 13. 5 вольт при этом TEC1 12706 потреблял 4А, мощность 54 вата, мощность холода 54/3=18 ват — примерно. Мощность TEC1 12704 учитывая ограничивающий резистор 2А*9V = 18 ватЭксперименты это подтвердили, максимальная эффективность была именно на 2 А. Производительность холода элемента TEC1 12704 18/3= 6 ват.
Из расчета теплоизолятора контейнера видно что 6 ват это теплопотери при разницы температур 20 градусов и 5 см стенок из пенополистирола. Сам контейнер выглядит так.
Внутреннюю поверхность дополнительно обклеил 0. 5см изолятором для прочности, пенополистирол легко протыкается. Снаружи так же для прочности оргстекло.
Реальные тесты готового холодильника. Напряжение 13. 5 вольта, потребление 7. 2А из этого 1А потребляют вентиляторы. По расчетам разность температур должна быть 40 градусов, отнимает потери 14 градусов горячего радиатора и 3 градуса холодного, получаем 23, это уже разность температур между воздухом внутри и снаружи. Тут нужно учесть что элемент TEC1 12704 недонагружен, эффективность снижена. По факту разность получилась 20 градусов. 2А*13. 5=97. 2 ватт потребление и 6ватт холода.
Если вентилятор холодно радиатора выключить то радиатор замерзает до -20. Пассивное охлаждение в моей конструкции не предусмотрено, холодный радиатор без принудительного обдува не получает тепла поэтому так замерзает. Чем быстрее вращается вентилятор холодного радиатора тем меньше разность температур между поверхностью элемента и воздуха внутри, однако на больших оборотах вентилятор выделяет много тепла. В моем случае оптимально получилось если обороты вентилятора немного снизить. На полных оборотах разница температур была 19 градусов. Поднять разницу выше 20 градусов не удалось.
Элемент Пельтье — схемы, принцип работы, применение и инструкция по созданию своими руками
Физический эффект в соответствии с которым, действуют термоэлементы, открыл французский ученый Жан-Шарль Пельтье в первой половине 19 века.
Он описал случаи выделения либо поглощения тепла при контактах разнородных проводников во время пропускания через них электрического тока.
Это открытие надолго забыли из-за недостаточного развития электротехники и вспомнили о нем только во второй половине 20 века после начала бурного развития микроэлектроники. Названные именем ученого элементы широко распространены в промышленности и в быту.
Элементы Пельтье: определение, устройство и принцип работы
Преобразователь, в результате работы которого под воздействием электричества возникает разность температур, называется элементом Пельтье.
Элементом Пельтье называется термопара, у которой на разных контактах возникают нагревание и охлаждение под воздействием электричества.
Это приводит к тому, что разные поверхности полупроводника дают разную температуру. Такая термопара может выделять электричество в достаточном количестве при нагревании только одной поверхности.
В практике благодаря этому физическому эффекту используют модули состоящие из множества термопар. Все они соединены нагревающимися сторонами одинаково.
Элемент Пельтье обычно представляет собой несколько термопар, но их может быть и несколько сотен.
Термопары соединяются шинами, сделанными из меди, которые держат пластинки из керамики.
Разница температур мощного модуля составляет 75 градусов Цельсия, нужно только грамотно убирать тепло от нагревающейся пластины.
Для увеличения такой разницы модули соединяют последовательным образом, который называют каскадом.
Современное использование элементов Пельтье
Любой прибор используется с учетом его достоинств и смягчением его недостатков.
Достоинствами элементов Пельтье являются такие их особенности:
- Статическое использование прибора – для выработки электроэнергии не нужны движения.
- Легкая регулировка температуры охлаждения или нагревания.
- Способность термоэлемента быть и нагревателем и охладителем.
Недостатками этих элементов являются нужда постоянно питать модуль от источника питания и дороговизна модулей состоящих из большого количества термопар.
Количество вырабатываемой энергии у термоэлементов бывает всякое, от нескольких ватт до тысячи ватт. В таком же диапазоне изменяется их стоимость.
Необычные свойства термоэлемента позволяют находить разнообразное применение:
- в маленьких кондиционерах;
- в передвижных холодильниках, в быту и автомобильных;
- в офисных охладителях для воды;
- для безопасного охлаждения вычислительной техники;
- в качестве переносного или небольшого генератора электроэнергии.
Кондиционер простейшей конструкции
На элементах Пельтье работают легко собираемые кондиционеры доступной конструкции, и небольшой производительности, для охлаждения небольших объемов, например, для автомобильного салона.
Несмотря не дороговизну такого кондиционера экономия расхода горючего на работу обычного климат-контроля делает кондиционер на элементах Пельтье в этом случае выгодным.
Маломощный холодильник
Возможно создание на элементах Пельтье только маломощного холодильника, но с большими преимуществами. Эти холодильники:
- потребляют небольшое количество электроэнергии;
- обладают простой конструкцией;
- имеют длительный срок эксплуатации;
- не шумят;
- занимают мало места;
- нормально функционируют лежа на боку и в движении.
Это важные качества для переносных приборов, таких как автохолодильник.
Кулер для воды
Кулер воды – это аппарат, который используется для охлаждения и нагревания воды.
Термоэлемент хорошо охлаждает воду. Состоит из термостата, термоэлемента и еще некоторых деталей.
Эта конструкция надежная и недорогая, но имеет небольшие недостатки:
- в пыльном помещении с загрязненным воздухом аппарат быстро забивается;
- жидкость охлаждается только до +10 градусов по Цельсию;
- в жаркую погоду охлаждение воды происходит медленно.
Осушитель воздуха
Такой прибор на термоэлементе удачно подходит для комнатного помещения, его конструкция проста и дешевая.
Модуль термоэлементов быстро охлаждает решетку прибора, через которую прогоняется воздух. При этом конденсируется влага, которая стекает в поддон.
Охлаждение процессора
Термоэлектрические модули используются для охлаждения персональных компьютеров.
Однако такой вид использования термоэлектрического модуля требует особой осторожности, так как есть вероятность, что этот модуль при недостаточной нагрузке процессора снизит температуру до появления конденсата, что может нанести серьезный ущерб компьютеру.
Если же термоэлектрический модуль совместить с воздушным охлаждением, то получится надежная, но дорогая система.
Генератор электроэнергии
Элемент Пельтье может вырабатывать электрическую энергию. Сила получаемого электрического тока повышается с увеличением разброса температур поверхностей термоэлемента.
Проблема с плавлением припоя внутри модуля. Однако можно использовать очень дорогие припои с высокой температурой плавления.
Дешевые термоэлектрические генераторы приобретают для использования в отдаленных, безлюдных местах в экспедициях и походах.
Элемент Пельтье своими руками
Можно сделать термоэлектрический генератор для походных условий своими руками. Для создания самодельного термогенератора нужны:
- элемент Пельтье;
- медная пластина;
- преобразователь ДС-ДС;
- или преобразователь напряжения на микросхемах.
Для обычного термоэлемента нагреваемая сторона должна иметь высокую температуру, но не превышающую 140 градусов.
В качестве нагревателя можно использовать сосуд с кипятком, тогда за температурой не нужно следить, она не будет превышать 100 градусов. Можно заниматься своими делами.
Портативный термоэлектрический генератор позволяет от костра зарядить электронные гаджеты одновременно с приготовлением пищи.
Холодильник своими руками на элементах Пельтье можно сделать из термоэлемента марки ТЕС1 -12706, радиатора, вентилятора и контейнера.
Исправность элемента Пельтье проверяется пальчиковой батареей.
Провод, окрашенный красным, присоединяется к плюсу, а провод, окрашенный черным, подключают к минусу. В исправном элементе нагрев одной стороны и охлаждение другой ощущаются пальцами. Проверка осуществима в течение нескольких минут.
История со столетним перерывом между открытием эффекта Пельтье и его применением в промышленности подчеркивает необходимость соответствия открытия техническому уровню производства. Без микроэлектроники необходимости в применении элементов Пельтье не было.
На нынешнем уровне развития техники картина совершенно иная. Термоэлектрические элементы нужны всюду, а термоэлектрические генераторы нужны как в сложнейших технических конструкциях, так и у туристического костра.
Схемы и фото элемента Пельтье
В своем первом посте, хотел бы поделиться собственным опытом по созданию авто холодильника своими руками. Изучив достаточно много видео сюжетов из YOUTUBE, данной тематики, мой выбор пал на принцип работы авто холодильника на элементе Пельтье. Чем удобен данный принцип при создании холодильника, какие плюсы и минусы имеет прибор и в чем особенности работы такого авто холодильника расскажу Вам сегодня. Принцип работы и конструкция.
Основной принцип работы элемента Пельтье, который был выбран за основу в качестве охлаждающего элемента, для создания авто холодильника, заключается в использование разности температур, возникающей на верхней и нижней частях самого элемента. То есть, если на элемент подается питание равное 12В, возникающий ток внутри элемента преобразует энергию в тепловое излучение на верхней стороне элемента (нагревается), в то время как на противоположной, — нижней части, формируется холодный поток энергии (охлаждается). Именно он и является источником охлаждения для конструкции холодильника. Что при этом необходимо запомнить? – Должна строго соблюдаться полярность проводов, при подачи тока для питания элемента. Именно поэтому, при приобретении, и установке элемента Пельтье в нашу конструкцию, прошу обратить внимание на цвета проводов, которые питают сам элемент. Красный (+) и черный (-), если при этом случайно изменить полярность при установке, будут нагреваться и охлаждаться противоположные части элемента. При сборе конструкции так же критично, — обеспечить эффективное принудительное воздушное охлаждение части элемента, которая будет нагреваться (верхняя), с помощью куллера, вентилятора от ПК. При этом, чем мощнее будет сам вентилятор куллера, тем эффективней, а значит холоднее будет нижняя часть элемента. Так же, важнейшей причиной тщательной и аккуратной сборки конструкции охлаждающего элемента нашего холодильника, является надежная изоляционная прокладка, отражающего тепло материала, для верхней стороны элемента Пельтье, чтобы нижняя часть максимально охлаждалась. Крепить элемент между верхним радиатором, который нагревается и нижним, — который охлаждается необходимо по типу «сэндвич», на практике это выглядит следующим образом: верхний радиатор, затем тонкий слой теплопроводной пасты КПТ-8 (возможно приобрести в магазинах, по продаже комплектующих к компьютерной технике или радио рынок, цена вопроса 10-25 грн. за тюбик, в качестве емкости иногда используется шприц), на слой пасты плотно клеим верхнюю часть керамической поверхности самого элемента Пельтье, затем снова слой теплопроводной пасты на нижней стороне керамического элемента Пельтье и непосредственно к ней, клеем нижний радиатор, который и будет охлаждать наш холодильник, плотно прижимаем и даем конструкции просохнуть (4-5 часов). Рекомендую так же на нижнем охлаждающем радиаторе установить еще один куллер, — он будет более эффективно распространять холод по внутренней поверхности емкости холодильника, — быстрее будет проходить охлаждение холодильника при запуске, как правило требуется (+/- 1-1,5 часа для достижения рабочей температуры функционирования холодильника). При работе холодильника, дополнительный вентилятор куллера исключает возможность появления конденсата на поверхности внутреннего холодного радиатора (помещенные внутрь продукты не будут влажными!). Этот процесс напрямую зависит от температуры воздуха среды, где находится сам холодильник, чем выше температура, тем дольше будет проходить процесс охлаждение холодильника при запуске. Немаловажную роль в эффективности охлаждения холодильника, играет теплоизоляция самого бокса, который будет использован в качестве емкости для холодильника и его объем! Я применил для этих целей, заранее купленный ящик для инструментов (обязательно наличие фиксаторов замков в нем, чтобы исключить возможность попадания теплого воздуха в холодильник из вне. В качестве внутренней изоляции для бокса холодильника была применена жидкая монтажная пена, и заранее подготовленная дополнительная емкость, которую я изготовил из остатков оконного отлива белого цвета. Пространство между стенками ящика для инструментов и дополнительной емкостью из жести, было задуто монтажной пеной (лишнюю пену, после сушки бокса срезал).
Питание и возможности штатного подключение к сети.
На самом деле, возможностей использования холодильника на элементе Пельтье множество. Это может быть как штатная электро система автомобиля 12В, так и сеть переменного тока 220-240В. Важно сразу постараться, разобраться для каких целей вам необходим холодильник. Конструкция собранная мной, достаточно универсальна, т. к может использовать в качестве питания и сеть переменного тока и сеть постоянного тока в автомобиле. Но при этом возможность универсального использования предполагает большие финансовые затраты на подготовку и сборку авто холодильника. Этот момент объясняется использованием дополнительных встроенных блоков питания в холодильнике, для использования в сети 220-240В. Если использовать в качестве питания прибора только штатную систему автомобиля, можно существенно удешевить конструкцию (отсутствие в холодильнике дополнительных дорогостоящих блоков питания, необходим только штатный разъем прикуривателя для подключения прибора). Мне холодильник понадобился не только в авто но и загородом, удобно использовать, например, холодильник на даче с системой питания в 220-240В в доме. Но это лично мое мнение, если предполагаете использовать исключительно в авто, стоить «постройка» этого чуда будет значительно дешевле. Отдельное внимание необходимо уделить выбору мощности модуля, т. к при подборе эффективного модуля для охлаждения авто холодильника первое на, что следует обратить внимание- это объем емкости для холодильника. Чем больше будет объем бокса, тем мощнее должен быть модуль Пельтье. В маркировке серии модуля первые три цифры – это количество микроэлементов, которые находятся внутри модуля, как правило эта цифра 127. Последние две цифры в маркировке – это интересующая нас сила тока элемента, от которой напрямую зависит мощность прибора. Для примера ниже привожу таблицу серии модулей Пельтье и предварительную стоимость в Днепропетровске на 05. 2015. Интересующий модуль возможно приобрести здесь, а так же все остальные комплектующие для изготовления.
Таблица мощности элементов Пельтье и приблизительная стоимость.
Модуль Пельтье TEC1-04908 (25х25)мм. 12V — 118,80грнМодуль Пельтье TEC1-07108 (30х30)мм, 12V — 142,50грнМодуль Пельтье TEC1-12703 30×30мм 3. 2A 12V -140,40грнМодуль Пельтье TEC1-12704 (40х40)мм, 12V — 202,50грнМодуль Пельтье TEC1-12706 40×40мм 6А 12V -156,60грнМодуль Пельтье TEC1-12708 40×40мм 8A 12V — 229,50грнМодуль Пельтье MT2-1. 13-127S 40×40мм — 271,80грнМодуль Пельтье TEC1-12708S (50х50)мм, 12V -541,50грнМодуль Пельтье TEC1-12710 (40х40)мм, 12V — 270,10грнМодуль Пельтье TEC1-12710S (50х50)мм, 12V — 513,00грнМодуль Пельтье TEC1-12715S (50х50)мм, 12V -604,80грнМодуль Пельтье MT1-1. 3-127GS 30×30мм — 205,80грн
Модуль Пельтье TEC1-12703 30×30мм 3. 2A 12V — 140,40грнМодуль Пельтье MT2,6-0,8-263Т1S 50×50 мм — 246,90грнМодуль Пельтье TEC1-12715 12V — 571,20грнМодуль Пельтье MT2-1. 13-127S 40×40мм — 271,80грнМодуль Пельтье TEC1-12708 40×40мм 8A 12V -229,50грнМодуль Пельтье MT2-1. 6-127S 40×40мм -310,60грнМодуль Пельтье TEC1-12705 40×40мм 5А 12V -205,20грн
Основной принцип при подборе необходимого элемента заключается в точном расчете силы тока элемента с мощностью источника подачи питания к элементу, в пропорциональном соотношении 1:1, т. к при подачи на элемент, силы тока, меньшей, чем заявленная сила тока в серии элемента, приведет к неэффективной работе элемента Пельтье. Не так критично напряжение, но тоже желательно соблюдать пропорцию 1:1. Внимание! При подаче силы тока на элемент, значительно превосходящую мощность самого элемента – нагрев будет происходить с двух сторон элемента, в итоге приведет к перегреву элемента (проверял сам, не повторяйте моих ошибок – потратите деньги на покупку еще одного элемента). Тот же принцип действует при подборе адаптера, если планируете использовать холодильник так же от сети переменного тока 220-240В. В заключении, хотел бы отметить, для удобство использования авто холодильника не лишним будет, если вы разместите выключатель питания, как не банально звучит, достаточно полезный дополнительный модуль в конструкции холодильника)).
Преимущества и недостатки холодильника Пельтье.
Начнем с плюсов, прежде всего это компактность и легкость самого «аппарата», мой например рассчитан на 8л. , не занимает много места на заднем ряду сидений авто или в багажнике. Простота и надежность использования, при правильной эксплуатации, имею в виду, подаваемую силу тока и напряжение, — прослужит достаточно долго, не требует дополнительного обслуживания и затрат. Стоимость, цена «заводского», как правило, китайского аналога, составляет более 1200 грн. , европейские фирменные модели – более 7-10 тыс. грн. , но и объем их, соответственно, тоже больше, чем предлагаемый мной вариант. К плюсам можно отнести поддержание холодильником постоянной температуры охлаждения, на протяжении всего периода активной работы, в отличии от обычной сумки-холодильника. Теперь о минусах, их тоже достаточно, первое – техническая особенность, — поддержание внутренней температуры охлаждения, в среднем, не более 10-15 градусов, от температуры окружающей среды (мороженное конечно в нем не будет храниться в нормальном виде более 1 часа и т. Но для перевозки охлажденных напитков температуры более чем достаточно. Второй минус, при «постройке» и эксплуатации холодильника от сети переменного тока, — это достаточно высокая цена адаптера питания нужной силы тока для элемента Пельтье (как правило — это блоки от ноутбука, более 6А силы тока на выходе, их стоимость составляет более 250 грн. Нужен минимум 1 час работы холодильника для достижение рабочей температуры.
Если этот пост для вас интересен, буду рад ответить на любые вопросы, поделиться советом, относительно создания, своими руками, авто холодильника на элементе Пельтье.
Внимание! Желательно не эксплуатировать прибор при слабом заряде аккумуляторной батареи авто или заглушенном двигателе. Потребляемая мощность моего варианта холодильника примерно 65 W.
Цена вопроса: Ящик для инструментов (8л. ) – 75 грн. (4 месяца назад)Элемент Пельтье TEC1-12706 40×40мм 6А 12V -85 грн. (покупал 1 год назад)Радиатор для внутренней части – 4 грн. (покупал 1 год назад)Монтажная пена – 0 грн. (осталась от ремонта, много не надо, очень неплохо заполняет пространство, даже не большое количество пены в баллоне)Два куллера – 0 грн. (попросил у знакомых ИТ-шников, в замен на идею…))Теплопроводная паста КПТ-8 — 20 грн. (один шприц, целый тюбик не нужен). Теплоизоляционный материал – 0 грн. (остался от обесшумки)Кусок жести от оконных отливов – 0 грн. (остался от ремонта)Выключатель -8 грн. (покупал 1 год назад)Провода – 0 грн. (думаю, с ними нет дефицита)Дополнительно на внутреннюю часть холодильника установил воздушный термометр, приобрел в зоомагазине -35 грн. (удобная вещь, для контроля внутр. температуры)Блок питания для сети переменного тока 6А, 12В -150 грн. (если хотите, чтобы питание холодильника было универсальным 12В-220В). Установил дополнительный блок питания отдельно для двигателей куллеров, чтобы снизить нагрузку на основной блок питания элемента Пельтье – 0 грн. Подойдет самый простой 1А, 12В. (если хотите, чтобы питание холодильника было универсальным 12В-220В)
Удачи на дорогах!)
Элемент пельтье и его принцип работы
В электротехнике используется много разных физических эффектов, процессов и свойств материалов. Достаточно вспомнить магнетизм, емкостные характеристики диэлектриков, сопротивление металлов прохождению тока. Определенный интерес представляют конструкции, содержащие связки двух полупроводников p- и n- типа, физические состояния которых, — под действием электрического тока — меняются. Речь идет об элементах Пельтье, названых так по имени первооткрывателя эффекта.
При подаче электроэнергии в устройство названого типа, место соприкосновения пластин разной энергетической проводимости нагревается или охлаждается в зависимости от направления движения тока. Причем разница температур может быть весьма велика и зависит в большей степени только от поступающего напряжения. Доступность конструкции позволяет изготовить самодельный элемент Пельтье даже в домашних условиях силами заинтересованного любителя электроники из вполне доступных материалов.
Самодельный холодильник с использованием элемента Пельтье:
Ниши применения аппарата довольно широки, от создания разогревающих поверхностей, до систем охлаждения процессоров, напитков или даже создания мини-холодильников. Единственный минус элемента — стоимость исходных материалов. Для миниатюрных конструкций еще можно найти необходимое их количество в компонентах электроники. В случае больших и соответственно мощных аппаратов, цена полупроводников будет дороже.
Теперь что касается выработки тока на биметаллических пластинах. Физическое явление ошибочно относят конкретно к элементам Пельтье, что не совсем точно соответствует истине. Изначально эффект открыт был Т. Зеебеком от фамилии которого и получил свое название. В проведенных исследованиях было выявлено, что в двух связанных проводниках из различных металлов (не обязательно p- и n- типа), для которых создается разница температур в отношении каждого, методом нагрева одного и охлаждением другого, возникает электрический ток. Правда, КПД процесса выше у полупроводниковой конструкции, больше напоминающей классический элемент Пельтье.
Генератор на основе эффекта Зеебека:
К сожалению, несмотря на видимые преимущества термических генераторов, производящих электричество и работающих на основе эффекта Зеебека, широкого распространения они не получили. Во всем виновата изначальная цена материалов, от которых непосредственно зависит коэффициент полезного действия на каждую единицу площади устройства. Кроме того, не стоит забывать о разнице температур, резкость которой в природе получить достаточно сложно. Есть конечно варианты, когда генератор названого типа работает на принудительном нагреве одной пластины и охлаждении другой. Причем первое действие производится не только за счет сгорания ископаемого топлива, но и к примеру, при распаде радиоактивных элементов или воздействия солнечных лучей. К сожалению, мощность таких устройств относительно мала по сравнению с энергозатратами, нужными для конечного производства тока. Классические виды генераторов в названом случае более эффективны при весьма солидной экономии топлива, необходимого для работы, или же при слабом действии природных факторов.
Еще один генератор, использующий тепло для питания слабого потребителя:
Краткая история открытия и обоснование физики работы
В основе работы элемента Пельтье находится физический принцип прохождения тока через две соприкасающиеся пластины, изготовленные из материалов с различными уровнями энергии тока прохождения, или другими словами — полупроводниками отличающихся типов. В месте их соединения будет наблюдаться нагрев при подаче тока в одну сторону, и понижение температуры при движении его в обратную.
Открыт эффект был еще в 18 веке Жан-Шарлем Пельтье, который получил его случайно, соединив контакты из висмута и сурьмы от источника тока. Капля воды, находящаяся в точке соприкосновения, превратилась в лед, что и вызвало интерес исследователя. Практическое применение открытие не получило по причине слабой распространенности электротехники в указанный период времени. Вспомнили о нем уже позднее, в век развития микроэлектроники, компонентам которой нужно было миниатюрное охлаждение, желательно без жидкостей и подвижных частей (насосов, вентиляторов и прочих).
Продаваемые сборки элементов Пельтье:
Элемент Пельтье можно создать не только из полупроводников. Но, к сожалению, эффект от использования различных проводящих металлов будет ниже, и практически полностью потеряется за счёт нагревания их в месте соприкосновения и общей теплопроводности материала.
Внутреннее устройство элемента Пельтье:
В общем виде конструкция выглядит как набор электродов кубической формы, изготовленных из полупроводников n- и p-типа. Каждый из них соединен с противоположными проводящими контактами, а все указанные пары соединены между собой последовательно. Причем расположение элементов выполняется так, чтобы связующие металлы между сборками полупроводников одного типа, соприкасались с первой стороной устройства в общем, а второго с противоположной. Сами p- и n- кубы зачастую изготавливаются из теллурида висмута и сплава кремния с германием. Соединительные контакты обычно из меди, алюминия или железа. Здесь главное требование — хорошая теплопроводность. Количество же пар в одной конструкции не ограничивается, и чем их больше, тем эффективнее работает элемент Пельтье. При подаче напряжения на сборку одна ее сторона нагревается, вторая охлаждается.
Принципиальная схема соединений в элементе Пельтье:
Годом нахождения обратного эффекта, выражающегося в выработке тока при охлаждении и нагреве соединенных проводников из разных металлов, принято считать 1821. Открытие было сделано Т. Зеебеком, который уже на следующий год опубликовал его в статье, предназначенной для Прусской академии наук, с названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».
Хотя согласно его работе, система генерации действует не только при использовании полупроводников, с ними ее КПД намного выше.
Элемент Пельтье, предназначенный целям генерации тока:
Где применяется
Миниатюрность настоящих элементов и относительно низкое их энергопотребление, — вкупе с отсутствием движущихся частей или различных жидкостей, применяемых в целях переноса тепла — предоставляет широкий спектр ниш использования. Сюда входят автомобильные кондиционеры, системы охлаждения микросхем и элементов электроники, мини-холодильники, подставки поддерживающие определенную температуру размещенных сверху емкостей. Кроме названых используется оборудование на элементах Пельтье в специфичных сферах, на подобии ПЦР-амплификаторов, нагревающихся систем вспышки фотоаппаратов, телескопах (для снижения теплового шума) и приемниках излучения инфракрасных устройств.
Реже можно заметить настоящий элемент в роли части конструкции генераторов. Хотя на рынках периодически всплывают аппараты аналогичного класса, к примеру, в виде фонариков, работающих от тепла человеческого тела или слабых машин, производящих электрический ток в целях подзарядки аккумуляторов смартфонов или ноутбуков.
Напряжение, получаемое на выходе элементов Пельтье:
Достоинства и недостатки
Как уже говорилось ранее, основным плюсом элементов Пельтье служит их миниатюрность, вкупе с отсутствием движущихся частей и агрегатных сред, используемых для передачи температуры. Соответственно, нет различных вентиляторов и насосов, хотя первые и могут использоваться для создания более быстрой конвекции тепла устройства и внешней среды. Кроме названых можно вспомнить простоту конструкции, которую в принципе может повторить каждый, изготовив элемент Пельтье своими руками.
Есть и минусы, основным из которых можно назвать низкий КПД, требующий повышения силы тока для создания действительно значимой разницы температур между горячей и холодной частью.
Эффект охлаждения достигаемый при использовании элементов Пельтье:
Элементы Пельтье своими руками
Получив теоретические знания о функционировании биметаллического устройства, пора перейти к тому, как сделать элемент Пельтье своими руками. Вот только сначала нужно выбрать нишу его применения. Хотя бы потому, что использовать устройство можно для охлаждения чего-либо, нагрева, или в качестве генератора с целью выработки электроэнергии. Последний вариант предпочтительнее по причине ненужности большого количества исходных материалов, хотя бы потому что многовольтное и высокоамперное устройство изготовить в любом случае сложно, особенно дома, ну а для целей подзарядки чего-либо подойдет и меньший его вариант. Хотя лучше купить готовый элемент Пельтье требуемой мощности с торговых интернет-площадок, чем заниматься его изначальным и достаточно невыгодным изготовлением.
Из диодов и транзисторов
Фактически любой элемент Пельтье представляет собой гирлянду из последовательно соединенных диодов, работающих в режиме пробоя. В сущности, любой электронный компонент, пропускающий ток в одном направлении и препятствующий его прохождению в обратном, построен на принципах соединения полупроводников p-n типа. Что в свою очередь наводит на мысли о схожести системы на искомую конструкцию, аналогичную той, которую имеет модуль Пельтье. Если брать во внимание диоды с пластмассовой оболочкой (включая излучающие свет), мешает доступу к самим контактным пластинам из разных металлов только сам корпус устройства.
Вот они, две пластины полупроводника в прозрачном диоде:
Случай транзисторов аналогичен, конечно учитывая то, что в большинстве из них три контакта, два из полупроводника одного типа и один (меньший) другого. Хотя избавиться от корпуса, если он металлический, проще, что довольно распространено у элементов названого типа — достаточно срезать верхнюю крышку и получить доступ к открытым контактным пластинам.
Металлический транзистор со снятой крышкой:
Саму процедуру избавления от корпуса возложим на читателей, с рекомендацией попробовать нагрев, кислоту или механическое снятие преграды. Что касается соединения контактных площадок, здесь некоторые фанаты, судя по имеющейся информации, использовали меднение их верхушек электрическим методом. Впоследствии к подготовленным участкам осуществлялась пайка проводящих контактов.
После получения требуемых металлов, главное, что нужно помнить при их подключении — направление прохождения тока и последовательное соединение, выглядящее, как p-n-p-n-p-n, учитывая тип полупроводников. Кроме того, чем больше будет использовано элементов в конструкции, вне зависимости от их размера, тем и выше КПД получившегося генератора или устройства создающего тепло вместе с холодом.
В окончании
Статья полностью объясняет, как работает элемент Пельтье и можно ли его повторить своими руками, используя только доступные материалы. Целесообразность самоличной сборки в практических целях оставляем на совести интересующихся вопросом. Хотя устройство, сделанное лично, безусловно более полно удовлетворит внутреннего любителя все делать самостоятельно, в отличие от покупного.
Видео по теме
Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).
Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:
А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.
