Пельтье элемент какой лучше поставить на холодильник. Термоэлектрический охладитель пельтье

Холодильное оборудование настолько прочно вошло в нашу жизнь, что даже трудно представить, как можно было без него обходиться. Но классические конструкции на хладагентах не подходят для мобильного использования, например, в качестве походной сумки-холодильника.

Для этой цели используются установки, в которых принцип работы построен на эффекте Пельтье. Кратко расскажем об этом явлении.

Что это такое?

Под данным термином подразумевают термоэлектрическое явление, открытое в 1834 году французским естествоиспытателем Жаном-Шарлем Пельтье. Суть эффекта заключается в выделении или поглощении тепла в зоне, где контактируют разнородные проводники, по которым проходит электрический ток.

В соответствии с классической теорией существует следующее объяснение явления: электрический ток переносит между металлами электроны, которые могут ускорять или замедлять свое движение, в зависимости от контактной разности потенциалов в проводниках, сделанных из различных материалов. Соответственно, при увеличении кинетической энергии, происходит ее превращение в тепловую.

На втором проводнике наблюдается обратный процесс, требующий пополнения энергии, в соответствии с фундаментальным законом физики. Это происходит за счет теплового колебания, что вызывает охлаждение металла, из которого изготовлен второй проводник.

Современные технологии позволяют изготовить полупроводниковые элементы-модули с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.

Устройство и принцип работы

Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.

Обозначения:

А – контакты для подключения к источнику питания;
B – горячая поверхность элемента;
С – холодная сторона;
D – медные проводники;
E – полупроводник на основе р-перехода;
F – полупроводник n-типа.

Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.

Рис. 3. А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

холодопроизводительностью (Q max), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DT max), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения — градусы;
допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – I max ;
максимальным напряжением U max , необходимым для тока I max , чтобы достигнуть пиковой разницы DT max ;
внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского — coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.

Маркировка

Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.

Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706

Маркировка разбивается на три значащих группы:

Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.

Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

Применение

Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:

мобильных холодильных установок;
небольших генераторов для выработки электричества;
систем охлаждения в персональных компьютерах;
кулеры для охлаждения и нагрева воды;
осушители воздуха и т.д.

Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.

Холодильник на элементах Пельтье

Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:

простота конструкции;
устойчивость к вибрации;
отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
низкий уровень шума;
небольшие габариты;
возможность работы в любом положении;
длительный срок службы;
небольшое потребление энергии.

Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.

Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.

Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.

Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.

Для охлаждения процессора

Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.

Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.

Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.

Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.

Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.

Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.

Кондиционер на элементах Пельтье

Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело — охладить небольшой объем холодильной камеры, другое — помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.

Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.

В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.

Для охлаждения воды

Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:

вода не охлаждается ниже 10-12°С;
на охлаждение требуется дольше времени, чем компрессорному аналогу, следовательно, такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством работников;
устройство чувствительно к внешней температуре, в теплом помещении вода не будет охлаждаться до минимальной температуры;
не рекомендуется установка в запыленных комнатах, поскольку может забиться вентилятор и охлаждающий модуль выйдет из строя.

Настольный кулер для воды с использованием элемента Пельтье

Осушитель воздуха на элементах Пельтье

В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.

Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.

Как подключить?

С подключением модуля проблем не возникнет, на провода выходов необходимо подать постоянное напряжение, его величина указанна в даташит элемента. Красный провод необходимо подключить к плюсу, черный — к минусу. Внимание! Смена полярности меняет местами охлаждаемую и нагреваемую поверхности.

Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?

Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к соответствующему источнику напряжения и дотронуться до его разных сторон. У работоспособного элемента одна из них будет теплее, другая – холоднее.

Если подходящего источника под рукой нет, потребуется мультиметр и зажигалка. Процесс проверки довольно прост:

подключаем щупы к выводам модуля;
подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
наблюдаем за показаниями прибора.

В рабочем модуле при нагреве одной из сторон генерируется электрический ток, что отобразится на табло прибора.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Сделать самодельный модуль в домашних условиях практически невозможно, тем более в этом нет смысла, учитывая их относительно невысокую стоимость (порядка $4-$10). Но можно собрать устройство, которое будет полезным в походе, например, термоэлектрический генератор.

Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.

На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °С.

Можно считать роскошью. А ведь это довольно полезная вещь. Сюда можно положить мороженое, газированную воду, перевозить любые замороженные продукты и много чего другого. В магазине за подобный девайс потребуют немалую сумму, поэтому есть смысл собрать автомобильный холодильник своими руками . К тому же это интересно, просто и в несколько раз дешевле. Еще можно сделать холодильник любой формы и размеров, чтобы он удобно вмещался на подготовленном в авто месте. По словам автора, стоимость подобной самоделки находится в пределах 1000 рублей.

В качестве охлаждающего элемента используется элемент Пельтье (это такая пластина, которая при подаче на нее напряжения с одной стороны нагревается, а с другой остывает). Также понадобится один или несколько (в зависимости от размеров холодильника) компьютерных кулеров с радиаторами. Их можно достать и бесплатно, если есть не нужные компьютеры.

Материалы и инструменты для самоделки:
- экструзионный пенополистирол;
- линейка;
- ручка, фломастер или другой пишущий инструмент;
- канцелярский нож;
- элементы Пельтье (можно купить, стоят не дорого);
- компьютерные кулеры с радиаторами;
- монтажная пена;
- провод с разъемом для прикуривателя;
- плата терморегулятора;
- паяльник, ножницы и другое.

Процесс изготовления холодильника:

Шаг первый. Изготовление контейнера
Вообще автор изначально хотел сделать термос-контейнер, который бы удерживал внутри холод. То есть для перевозки на небольшие расстояния охлажденных продуктов. Но далее контейнер превратился в полноценный холодильник.

Собирается контейнер из пенополистирола, в качестве клея используется монтажная пена. Это хорошо тем, что пена герметично заделывает все щели. Самое важно при конструировании - хорошая теплоизоляция, чем лучше будет сохраняться холод, тем эффективнее и экономнее будет работать холодильник.
Размеры можно выбирать любые, под свои потребности, автору для сборки хватило листа пенополистирола размерами 1200х600 мм и толщиной 50 мм. Лист просто разрезается по шаблону, а затем склеивается в заветную коробку с помощью монтажной пены.

На картинке можно увидеть схему для разделки листа, если есть желание собрать точно такой холодильник. На листе есть бортики, толщина которых составляет 20 мм, их нужно срезать со всех сторон, оставив нижний.

Для склеивания пену наносят и ждут 1 минуту, затем нужно прижать части на 5 минут и следить при этом за тем, чтобы они не сместились. В итоге лишним будет только маленький кусочек пенополистирола, он отмечен серым цветом на схеме.

После того как ящик будет готов, его можно покрасить. Красить нужно в два захода, так как краска может разъедать пенополистирол. Впрочем, желательно подобрать подходящую краску для этих целей. Весит контейнер 820 грамм, в нем довольно долго лежат замороженные продукты.

Шаг второй. Установка охлаждающего элемента
Чтобы сделать полноценный холодильник, необходим охлаждающий элемент, здесь он электрический - это элемент Пельтье. Особенность этого устройства в том, что когда на него подается напряжение, то одна его сторона становится очень холодной, а другая нагревается. Так вот, чтобы элемент Пельтье не перегорел, от его горячей стороны нужно отводить тепло. Отлично с этой задачей справляется кулер от компьютера с радиатором, который охлаждает процессор.

Максимально мощный элемент Пельтье обойдется порядка 130-150 рублей (мощность 60 Вт).

Чтобы с внутренней стороны радиатор не обмерзал, а воздух охлаждался равномерно, с внутренней стороны холодильника было решено также установить кулер. Чтобы система работала автономно, понадобится регулятор температуры с внешним датчиком, его стоимость находится в пределах 170 рублей.

Теперь степень холода в холодильнике будет контролировать электроника , это также снизит потери электроэнергии.

Элемент Пельтье автор устанавливает между двумя радиаторами, для лучшей теплоотдачи применяется термопаста. В итоге один радиатор будет охлаждать одну сторону элемента, а другой радиатор будет находится внутри холодильника и распределять по нему холода. Одного такого элемента достаточно, чтобы удерживать внутри холодильника температуру в -3 градуса при температуре окружающего воздуха +26. Если последовательно установить 2-3 таких элемента, то теоретически температуру в холодильнике можно понизить до -18 градусов.

Радиаторы соединяются между собой с помощью стандартных скоб, с помощью которых они крепятся к материнской плате. Еще понадобятся пластиковые хомуты. Наибольшей эффективности удалось достигнуть, когда оба вентилятора работали на выдув со стороны радиатора.
В качестве теплоизоляции использовались куски теплоизоляции для круглых труб

Шаг третий. Сборка конструкции
В крышке холодильника необходимо проделать отверстие для установки охладителя. По форме отверстие должно быть таким как на фото. Затем швы промазываются герметиком и устанавливается конструкция из радиаторов. Важно тут не перепутать, где холодная сторона, а где горячая. Крышку предварительно можно покрасить, при этом возрастает жесткость пенополистирола.

Отлична поделка для лета - сделать миниатюрный холодильник с низковольтным питанием. Разнообразие питающего напряжения (220 В, 12 В, 5 В) дает возможность использовать такой холодильник практически где угодно: в машине, офисе, дома и тп. Это прекрасная вещица, чтобы охладить напитки в жаркий летний день.

Понадобится

Изготовление миниатюрного холодильника на элементе Пельтье

Корпус был сделан произвольных размеров с учетом размещения блока охлаждения, блока питания и камеры для напитков. Он будет состоять их двух секций: одна для технической части, другая для охлаждения продуктов.
Изготавливаем корпус. Размечаем кусок оргалита с помощью карандаша и линейки.

Выпиливаем ножовкой все элементы.

Все части корпуса готовы.

Со средней части, разделяющей холодильник на две части вырезаем окно для радиатора с Пельтье модулем.

Прикладываем блок охлаждение к боковой части корпуса.

И рассверливаем множество отверстий с обоих сторон. То есть поток воздуха будет попадать с одной стороны через отверстия в боковой части. Проходить через радиатор забирая тепло и выходить через отверстия с другой стороны.

Красим аэрозольной краской из баллончика все детали корпуса холодильника.

Приступаем к сборке.

Приклеиваем разделительную часть блока охлаждения на горячий клей.

Склеиваем все части корпуса, с двух сторон.

Блок охлаждения лежит на деревянном кусочке, который приклеен к основанию.

Для подсветки понадобятся две секции светодиодной ленты на 12 В. Один цвет белый, другой цветной.

Приворачиваем маленький вентилятор.

Техническую часть холодильника делим на две части. В верхней будет располагаться источник питания. Разделительная стенка кладется на приклеенные к сторонам квадратные отрезки деревянной рейки.

Устанавливаем заднюю стенку.

Дверцу сделаем из куска акрилового стекла. Размечаем линейкой и карандашом.

Миниатюрные петли можно купить или сделать самому. Приклеиваем их на секундный клей.

Стороны акрилового стекла оклеиваем черной самоклеящейся лентой.

Приклеиваем ручку на дверцу.

Организуем подсветку. Припаем контакты к концевому мини переключателю.

Припаиваем провода к отрезкам светодиодной ленты. Сами отрезки клеим на мини полочку, сделанную из того же акрила.

Соединяем подсветку, вентиляторы, элемент Пельтье.

Устанавливаем переключатель на боковую часть.

Изолируем все открытые скрутки.

Закрываем отсек с блоком охлаждения. Это нужно сделать для того, чтобы горячий воздух не поднимался вверх и не нагревал источник питания.

Сверлим отверстие под провод питания 220 В.

Чтобы дверца холодильника не открывалась - установим на сторону маленькие неодимовые магниты от сломанного сидирома.

Закрываем верхнюю крышку, но перед этим врезаем выключатель питания, припаиваем провода. Теперь холодильник можно будет выключать кнопкой сверху.

Закрываем крышкой и фиксируем клеем.

Для должной термоизоляции оклеиваем внутреннюю часть холодильника тонким пенопластом. Сажаем вырезанные панели пенопласта на горячий клей.

Ну и наконец результат работы такой, что за тридцать минут температура внутри камеры упала с 42 до 16 градусов Цельсия. Напитки охладились до температуры 20 градусов Цельсия. И все это за 30 минут!

Конечно КПД такого холодильника намного ниже, чем у компрессорного, но у него есть и свои плюсы, один из которых является низковольтное питание, которое может составлять не только 12 В но и 5 В! Естественно питать его вполне возможно от USB порта компьютера, правда отдача будет ниже чем при питании от напряжения 12 В.
Суммарная потребляемая мощность при питании от сети 220 В составляет порядка 100 Вт.Более подробная инструкция по сборке в видео ниже.

Мастер построивший этот холодильник, инженер-электронщик с разнообразным кругом увлечений, от истории до спорта, от юриспруденции до путешествий. Последнее увлечение мастера изготовление вина в домашних условиях. И вот здесь пригодились его инженерные познания. Не для изготовления вина, для его хранения.

Вино должно хранится при низких температурах от 10 до 18°C максимум, а холодильники для его правильного хранения дороги. Тогда мастер решил изготовить такой холодильник сам.

Инструменты и материалы:
-Экструдированный пенополистирол;
-Алюминиевый скотч;
-Рулетка;
-Клей;
-Нож;
-Карандаш;
-Алюминиевые профили;
-Алюминиевый радиатор;
-Крепеж;
-Дрель;
-Элемент Пельтье;
-Текстолит;
-Вентилятор;
-Контролер для питания элемента Пельтье;

Шаг первый: требования к холодильнику
При проектировании мастер пытался учесть следующие требования:
-Температура внутри камеры не выше 18°C
-Невысокая потребляемая мощность 15-20 ВТ
-Работа на элементе Пельтье
-Контроллер с системой контроля и управления заданной температурой

Шаг второй: проектирование корпуса
При постановке вопроса из чего сделать корпус, мастер остановился на пеноплексе. Мастер объясняет свой выбор материала его низкой теплопроводностью, влагостойкостью, прочностью, легкостью в обработке.

Для холодильника мастер использовал плиты толщиной 4 см. Внутренние размеры холодильника 380 x 360 x 320 мм. В такой холодильник помещается четыре пятилитровых баллона с вином.

Шаг третий: изготовление камеры
Лист пеноплекса мастер отвез в мебельный цех и там его порезали по размерам. Сборку камеры мастер проводит с использованием клея.

После сборки камеры оклеивает ее алюминиевым скотчем.

Шаг четвертый: охлаждающий узел

Конструкция охлаждающего узла несложна. Как мы знаем, при подаче напряжения одна сторона элемента Пельтье охлаждается, другая нагревается. Поэтому расположить элемент внутри холодильника неэффективно. Мастер располагает элемент снаружи холодной стороной к внутреннему радиатору, а горячей к внешнему. Ниже элемента устанавливается вентилятор. Конструкция видна на фото.

Внутренний радиатор мастер устанавливает вверху камеры, это обусловлено опусканием холодного воздуха вниз.
Шаг пятый: контролер
Контролер имеет следующие параметры: измерение и регулировка температуру с погрешностью 0,1 градус в камере, ограничение потребляемой мощности, контроль температуру внешнего радиатора и включение вентилятора, непрерывное питание элементе Пельтье, сглаживание пульсации и скачков напряжения.

Мастер подчеркивает, что элемент Пельтье работает постоянно, просто с разной мощностью. Такая схема позволит элементу проработать гораздо дольше. Схема контролера размещена ниже, а более подробно почерпнуть информацию можно