Модуль пельтье холодильник своими руками. Автомобильный холодильник своими руками на элементах пельте

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

Увлекся я домашним виноделием.

Почитал о пользе вина. Поискал полезное вино. Ужаснулся тем, что нам предлагают в магазинах. Даже от Крымских вин никакой пользы. Все пастеризовано, сделано из концентратов, непомерное количество консервантов. Домашние вина безбожно разбавляют, неизвестно в каких условиях их делают…

Решил попробовать сделать вино сам. Получилось просто замечательное виноградное вино. Сухое, почти без сахара, насыщенное, очень полезное, снимает усталость...

Но главное, мне понравился сам процесс изготовления вина. Очень интересно, времени занимает не много. Я именно увлекся виноделием, и, думаю, надолго.

Живу я в многоквартирном доме. Для изготовления вина это не создает абсолютно никаких проблем. У меня большая кладовая, в ней вино бродит, созревает. А вот как хранить вино длительное время не понятно.

Основное требование к хранению вина – низкая температура:

10 – 14 °C для сухих вин;
до 16 °C для десертных;
максимально допустимая температура 18 °C;
24 °C просто убивает вино.
Не допустимы резкие перепады температуры.

Проблема усугубляется тем, что я предпочитаю сухие вина, которые требуют самой низкой температуры хранения.

Набрал в поисковых системах запросы.

Хранение домашнего вина.
Хранение вина в домашних условиях.
Как хранить вино в квартире.

Единственный реальный совет по этому поводу – купить винный холодильник. Но такие устройства дорогие. Особенно если полезный объем винного холодильника не на 6-8 бутылок, а на несколько баллонов вина. Не думаю, что кто-то изготавливает домашнее вино объемами менее 10-20 л.

Требования к винному холодильнику.

Решил сделать винный холодильник своими руками. Проблема упрощается, относительно традиционных холодильников для продуктов, тем, что:

Температура в холодильнике для вина может быть 14 °C, и даже устроит 18 °C, в то время как в холодильнике для продуктов 4-5 °C, а в морозилке – 20 °C. Понятно, что на поддержание более высокой температуры необходима меньшая мощность холодильника, меньше требования к теплоизоляции. Достаточно снизить температуру относительно окружающей среды на 5-7 °C.
К винному холодильнику, установленному в кладовой нет особых требований по внешнему виду. Но если у кого-то такие требования появятся, всегда можно заказать красивый внешний корпус из ламинированного ДСП.
Холодильник для вина открывается достаточно редко. Это упрощает требования к закрывающей дверце холодильника, вообще к способу закрывания корпуса.

Но есть и определенные требования:

Не высокая потребляемая мощность, чтобы не разорится на оплате электроэнергии. Я решил, что максимальная потребляемая мощность должна быть не более 15-20 Вт.
Система управления должна поддерживать температуру с высокой точностью, и главное – без резких колебаний. Релейные терморегуляторы от холодильников здесь совершенно не приемлемы.
В качестве охлаждающего прибора – . Это накладывает еще специфичные требования на контроллер холодильника. Об этом я напишу в следующей публикации.

Последние два пункта меня нисколько не пугают. Я разрабатывал гораздо более сложные электронные контроллеры. Забегая вперед, скажу, что-что, а получился замечательным. Небольших размеров, достаточно простой, удобный, с высокими характеристиками. Он поддерживает температуру с точностью 0,1 °C, ограничивает мощность на заданном уровне, вырабатывает идеальные сигналы для элемента Пельтье.

Корпус холодильника для вина, выбор теплоизоляционного материала.

Из чего сделать корпус холодильника? Просмотрел статьи по этому вопросу в интернете, подумал, почитал про теплоизоляционные материалы. Пришел к однозначному выводу – корпус надо делать из экструдированного пенополистирола. У этого материала:

Низкая теплопроводность – 0,031 Вт/(м·°K).
Достаточно высокая прочность, стойкость к деформациям. Существуют варианты с различной плотностью. От плотности и зависит прочность.
Он совершенно не боится влаги.
К тому же пенополистирол легкий, просто обрабатывается, легко клеится.

В отличие от вариантов в интернете, в которых брался подходящий пластиковый корпус и обшивался теплоизоляционным материалом, я решил сделать корпус холодильника из плит пенополистирола и оклеить алюминиевой пленкой.

Расчитал, что мне необходимы плиты толщиной 5 см, но в ближайшем магазине нашел плиты Пеноплэкс толщиной только 4 см. Решил, что для первого опыта подойдет. Их и купил.

С учетом размеров полок в моей кладовой, решил сделать холодильник с полезным объемом, достаточным для хранения четырех пятилитровых баллонов.

Т.е. на 20 литров вина в четырех баллонах. Каждый баллон 5 л, высота 265 мм, диаметр 180 мм. Внутренние размеры холодильника 380 x 360 x 320 мм.

Получился вот такой чертеж деталей для корпуса.

Список деталей.

Выпилили мне эти детали в мебельном цехе за 200 руб. Материал обрабатывается замечательно. Края получились идеально ровными.

Использовал такой клей. Наверное, существует много других вариантов, но этот клей мне понравился.

Осталось склеить детали. Это было не сложно, только слишком много клея на первый шов налил.

Склеил крышку и примерил, пока клей окончательно не высох. Подошла идеально.

Затем я оклеил корпус холодильника снаружи и изнутри алюминиевым скотчем.

Корпус холодильника готов.

Конструкция охлаждающего узла холодильника.

Оптимальная конструкция охлаждающего узла очевидна. Я постарался изобразить, как я ее вижу.

Задача состоит в том, чтобы холод с одной поверхности передать в холодильник на его внутренний радиатор. А другой, внешний радиатор должен отводить тепло с другой поверхности элемента Пельтье.

Боковую стенку холодильника под прямым углом пронизывает алюминиевый брусок сечением 40x40 мм. Через него передается холод внутрь корпуса. В камере к нему прикручивается внутренний радиатор, который охлаждает воздух. С другой стороны к бруску внешним радиатором прижимается элемент Пельтье. Конструкция оптимальная с точки зрения физических процессов:

Минимальная длина передающего холод бруска.
Большое сечение, а значит и хорошая теплопроводность бруска.
Минимальная поверхность контакта холодной части охлаждающего узла с воздухом, а значит минимальные потери.
Внешний радиатор располагается параллельно боковой стенке, увеличивая ширину всего холодильника только на свою толщину. Толщина радиатора, как правило, меньше других размеров.

Недостатки:

Боковые поверхности алюминиевого бруска должны быть идеально ровные.
Требуются сложные фрезерные работы.
Сложное крепление внешнего и внутреннего радиаторов.

Я инженер электронщик, программист, не механик. Уверен, что механическую конструкцию этого узла многие сделают лучше меня. Пришлите фотографию, если сделаете.

Меня на такой вариант конструкции не хватило. Я сделал более простую, но менее эффективную конструкцию охлаждающего узла.

Она понятна по картинкам.

Внутренний радиатор находится сверху в камере, потому что холодный воздух опускается вниз.

Недостатки такой конструкции очевидны:

Брусок, передающий холод, маленького сечения, всего 40 x 10 мм.
Значительная его часть контактирует с теплым воздухом, большие потери. Надо закрывать теплоизолирующими материалами.
Ширина холодильника увеличивается за счет ширины радиатора. По этой же причине нельзя использовать широкий радиатор.

Ну, что смог. Буду переделывать.

Контроллер для холодильника на элементе Пельтье.

Контроллер получился крайне удачным. Ему будет посвящена . Там я:

Подробно расскажу о проблемах управления элементом Пельтье.
Опишу работу контроллера.
Приведу принципиальную схему контроллера элемента Пельтье.
Выложу резидентное программное обеспечение.

Сейчас просто скажу, что контроллер:

Измеряет и стабилизирует температуру воздуха в холодильнике с точностью 0,1 °C.
Ограничивает потребляемую мощность по заданному значению.
Контролирует температуру внешнего радиатора и управляет вентилятором.
Формирует непрерывный ток и напряжение на , сглаживает пульсации и броски напряжения.
Осуществляет диагностику датчиков температуры и других элементов системы.

Особо хочу отметить, что контроллер не включает и выключает элемент Пельтье для регулирования температуры, а плавно снижает или увеличивает мощность на элементе. Таким образом через элемент Пельтье всегда идет ток, только его значение определяется температурой окружающей среды.

Это позволяет:

Держать значение температуры стабильным, без малейших скачков.
У элемента Пельтье ограничено число включений и выключений. Релейные регулятор испортит его за 2 месяца.
Избежать проблемы связанной с тем, что пластина передающая холод в камеру холодильника, при выключении элемента Пельтье, начинает передавать в него тепло от внешнего радиатора.

Размеры контроллера всего 110 x 90 x 38 мм.

А это весь холодильник.

Испытания и оценка результатов.

Контроллер отображает:

температуру воздуха в холодильнике;
температуру радиатора;
электрическую мощность на элементе Пельтье.

Поэтому испытание проходило без дополнительных приборов. Просто включил холодильник и наблюдал.

При заданной максимальной мощности 15 Вт температура в холодильнике снижается на 6 °C относительно окружающей среды.

В принципе этого уже достаточно для хранения вина. Хотелось лучших результатов, но с учетом недостатков конструкции узла охлаждения, результат получился не плохой.

Тем более, что осталось огромное число резервов для увеличения эффективности холодильника:

Изменить конструкцию узла охлаждения, как было описано выше.
Добавить направляющие воздуха для вентилятора.
Увеличить площадь внешнего и внутреннего радиаторов.
Увеличить толщину стенок корпуса холодильника хотя бы до расчетной (50 мм).

Уверен, что этим можно значительно повысить эффективность холодильника:

Добиться более низких температур.
Снизить потребляемую мощность, хотя 15 Вт мне не кажется большой величиной.

Кстати, все промышленные холодильники для вина содержат второй вентилятор на внутреннем радиаторе. Я думаю, что без него можно обойтись, как сделано в этой разработке.

Что касается стоимости изготовления этой разработки, то я точно не считал, но не думаю, что потратил больше тысячи на материалы для корпуса. Все остальное делал из подручных материалов. Трудно оценить все вместе, думаю, что тысячи в 2-2,5 можно уложиться.

Вы можете добавить в закладки.

Автомобильный холодильник своими руками на элементах Пельте

Пока я занимался строительством загородного дома меня не покидало желание придумать как еще можно использовать экструзионный пенополистирол. На сегодняшний день это один из самых эффективных утеплителей с огромным количеством плюсов и очень доступной ценой. Первым делом я осознал, что для поездок за продуктами в гипермаркет очень полезно иметь контейнер-термос, в котором можно безопасно перевозить замороженные продукты.

Для изготовления такого ящика потребовалось 160 рублей и полчаса свободного времени. Но я решил пойти дальше и доработать конструкцию для того, чтобы использовать её в качестве автономного холодильника.

Приступим к изготовлению!

Итак, начнём с контейнера-термоса. Нам потребуется один лист пенополистирола с размерами 1200х600 мм, толщиной 50 мм, канцелярский нож и рулетка. Стоимость такого листа в любом строительном магазине - 160 рублей. Разрезаем лист по шаблону, берем монтажную пену и склеиваем вот такой контейнер.

Вот схема разделки листа. У листа имеются бортики толщиной 20 мм, их нужно срезать со всех сторон, кроме нижней. Между собой листы склеиваются монтажной пеной. Технология проста. Наносите немного пены на место склеивания, ждете 1 минуту, плотно прижимаете листы друг к другу и далее в течение 5 минут вручную контролируете, чтобы они не сдвинулись из-за расширения пены. Главное не оставлять без присмотра. Лишним останется только небольшой кусочек пенополистирола, отмеченным серым цветом на схеме.

Обратите внимание на конструкцию крышки, один из больших листов со схемы сверху я разрезал на 3 части по месту при склейке, чтобы обеспечить плотную фиксацию. После этого ящик снаружи можно покрасить. Краска немного разъедает пенополистирол, поэтому лучше красить в два этапа. Получившаяся емкость весит 820 грамм и имеет невероятные показатели по теплопотерям. В такой ящик можно положить несколько килограмм замороженных продуктов и без проблем перевозить их в течение нескольких часов. Главное не смешивать замороженные и охлажденные продукты. Можно дополнить конструкцию аккумулятором холода.

А можно и доработать конструкцию, чтобы получить полноценный холодильник. Для этих целей мы будем использовать элемент Пельтье — термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого основан на возникновении разности температур при протекании электрического тока. Именно такие элементы используют в серийных автомобильных холодильниках, а также автомобильных сиденьях с вентиляцией.

Стоимость одного элемента Пельте максимальной мощностью 60 вт на aliexpress — 130-150 рублей. Модель TEC1-12706. В процессе работы одна сторона элемента нагревается, другая — охлаждается. чтобы элемент не сгорел требуется интенсивно отводить тепло с горячей стороны. Для этого нам потребуется процессорный кулер с радиатором из компьютерого магазина, стоимостью 250 рублей. Для улучшения циркуляции воздуха внутри холодильной камеры и исключения обмерзания радиатора я решил установить вентиляторы с обеих сторон. Также нам пригодится терморегулятор с внешним термодатчиком и реле, стоимостью 170 рублей, которое позволит контролировать заданную температуру внутри контейнера. Ну и провод удлинитель с разъемом для автомобильного прикуривавтеля за 100 рублей.

Итак, приступаем к сборке.

Элемент Пельтье с использованием термопасты (идет в комплекте с кулером) устанавливаем между двумя алюминиевыми радиаторами. Здесь стоит отметить, что можно повысить температурный градиент установки, если сделать сборку последовательно установленных 2 или 3 элементов Пельтье. Таким образом, чтобы один элемент Пельтье охлаждал другой. В таком варианте в контейнере реально получить отрицательную температуру до -18 градусов по Цельсию. По периметру между элементом прокладываем кусочек вспененной теплоизоляции.

Между собой радиаторы соединяем штатными пластинами крепления к материнской плате, соединив их с помощью пластиковых хомутов. Это позволяет также термически изолировать друг от друга холодную и горячую сторону. Пробный запуск установки. Чем интенсивнее мы будем охлаждать горячую сторону, тем ниже будет температура на холодной стороне. Здесь вентиляторы направлены на приток воздуха на радиаторы, это менее эффективно, чем если их перевернуть на выдув. В импровизированной коробке удалось добиться температуры -3 градуса, при температуре окружающей среды +26. На фото хорошо видна модель кулеров, их преимущество в большой площади опорной площадки радиаторов. А в качестве теплоизоляционной прокладки я использовал кусочек от теплоизоляции для круглых труб.

Теперь займемся интеграцией термоэлектрического преобразователя в новую крышку для контейнера. Для удобства размещения всей конструкции увеличим толщину крышки до 100 мм (2 листа пенополистирола). На этой фото хорошо видно прокладку по периметру между двумя радиаторами.

Художественная резка по пенополистиролу и обработка наждачной бумагой. Снова красим. После покраски внешняя оболочка пенополистирола становится прочнее.

Швы промазываем герметиком, оба вентилятора переворачиваем на выдув. Из потенциальных доработок — возможно стоит снизить скорость вентилятора на холодной стороне (сейчас оба вентилятора работают с максимальной скоростью).

Рядом на корпусе устанавливаем плату терморегулятора и фиксируем провод питания таким незатейливым способом. Сначала прижимаем пластиной с помощью саморезов, затем фиксируем герметиком.

Контейнер в сборе. Вес контейнера без крышки — 800 грамм, столько же весит крышка с термоэлектрическим преобразователем в сборе. Общие расходы — 1000 рублей и пара часов времени. Испытания с охлажденными продуктами в багажнике автомобиля показали способность системы поддерживать температуру на дне (!) контейнера в пределах +5 градусов Цельсия, при температуре окружающей среды +29 градусов (да, в багажнике гораздо теплее, даже при работе кондиционера) и потреблении тока - 3 Ампера. Мне кажется, это отличный результат.

Следующий контейнер планирую сделать из 3 последовательно установленных элементов Пельтье, чтобы получить полноценную морозильную камеру.

В категории товаров для туризма, активного отдыха и оборудования для дачного домика стабильной популярностью пользуются компактные портативные холодильники. Большинство предлагаемых промышленностью изделий являются пассивными охладителями – это разного рода контейнеры с теплоизолированными стенками, удлиняющие процесс нагревания упакованной в них пищи. В отличие от них, приборы активного типа генерируют холод внутри камеры, питаясь от внешнего источника электрического тока. Чтобы сэкономить бюджет на покупке дорогостоящего аксессуара для путешествий, можно сделать автомобильный холодильник на элементах Пельтье своими руками.

Подготовительный этап

Чтобы удачно поставить элемент Пельтье себе на службу, необходимо ознакомиться с теоретической частью задачи:

что такое элемент Пельтье;
как рассчитать требуемый объем холодильника;
как обеспечивать устройству требуемое питание и корректный отвод тепла;
какие существуют схемы подключения данного термоэлектрического модуля.

В основе работы элемента Пельтье лежит одноименный эффект, при котором, в зависимости от направления и силы тока, протекающего через точку контакта двух полупроводников различного состава, происходит либо выделение, либо поглощение тепла. Это явление стали использовать в радиоэлектронике для локального охлаждения интегральных матриц, диодов и т. д. Позже компактную, нешумную, недорогую и надежную деталь стали использовать как кустарную замену воздушному охлаждению процессоров ПК. Чаще всего в качестве рабочего модуля рассматривается элемент Пельтье 12703 для холодильника полезным объемом до 0,5 куб. м.

Одного элемента Пельтье 12703, работающего от 12 V, потребляющего около 3А и 28 Вт; размерами 40х40х10 мм; хватает для создания в закрытом объеме 0,5-0,7 куб. м. разницы температур в 20 градусов с окружающей средой. Деталь будет корректно функционировать только при работающем теплоотводном устройстве (металлическом радиаторе) и вентиляторе, обеспечивающем отток воздуха от него. Если запитать элемент 12703 без обеспечения оттока тепла, равно как и его аналоги, охлаждавшие мощные диоды, он может сгореть в течение минуты.

Корпус и рабочая камера самодельного агрегата

Чтобы сконструировать автомобильный холодильник своими руками, потребуется теплоизолированный бокс с твердой неметаллической стенкой. Это может быть серийно выпущенный термобокс для путешествий (пассивно сохраняющий прохладную температуру) или подходящий по размерам пластиковый, фанерный, сделанный из МДФ или подобного теплоизолирующего материала, ящик с плотно закрывающейся крышкой.

Для удобства корпус портативной морозилки можно оснастить ручками по бокам.
Внутри камера самодельного устройства должна быть изолирована с помощью пенофола, пенополистирола, монтажной пены либо листового пенопласта. Исключение – место установки охлаждающего модуля. В точке крепления нужно сделать отверстие под модуль, выемки для монтажа радиаторов и корректного отвода воздуха.
Выбирая, какой лучше поставить радиатор и вентилятор охлаждения, следует обратить внимание на недорогие компьютерные детали: кулер охлаждения центрального процессора и его радиатор.
При монтаже радиатора на модуль Пельтье нужно обязательно использовать термопасту.
Внешний радиатор с размещенным на нем кулером следует защитить от повреждений или прикосновения, лучше с помощью решетки.

Что понадобится для сборки охлаждающего агрегата

Самодельный автомобильный холодильник с элементом Пельтье потребует таких деталей, как:

теплоизолированный контейнер;
охлаждающий модуль;
2 радиатора и 2 вентилятора (внутри и снаружи);
термореле с выносным датчиком (микроконтроллер с термостатом);
переключатель на два положения (вкл./выкл.) и провод.

Для подключения к автомобильному аккумулятору понадобятся длинные провода и разъемы (крокодилы). Не рекомендуется организовывать подключение через разъем прикуривателя, поскольку во время работы контакт сильно нагревается и может вывести из строя проводку авто. Чтобы обеспечить работу морозильного агрегата от сети на даче, следует приобрести компьютерный или другой подходящий блок питания на 12-15 V с проводами и штепселем.

Последовательность монтажа

Перед тем как поставить элемент Пельтье на холодильник, сделанный своими руками, следует проверить работоспособность конструкции, смонтировав ее в готовом виде на плоской дощечке соответствующего размера.

Схема компоновки деталей следующая:

модуль монтируется в вырезанное точно по его размеру отверстие в основании (крышке или стенке автомобильного холодильника);
к обеим его плоскостям крепятся предварительно смазанные термопастой радиаторы;
на каждый радиатор устанавливается вентилятор в режиме отведения воздуха.

Чтобы понять, какой стороной лучше поставить модуль, следует обратиться к практике обозначений «плюса» красным проводом, а «минуса» – черным. При подаче тока с плюсовой клеммы аккумулятора на красный провод модуля, будет нагреваться та его сторона, на которой расположена маркировка. При обратном подключении – противоположная.

Во время эксплуатации самодельного автомобильного холодильника следует принимать во внимание, что продукты, загружаемые в него, должны быть по возможности охлажденными, иначе аппарату придется затратить большое количество энергии и времени на то, чтобы сначала охладить их, а уже затем – поддерживать заданную температуру внутри камеры.

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.