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.
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!
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Художественная резка по пенополистиролу и обработка наждачной бумагой. Снова красим. После покраски внешняя оболочка пенополистирола становится прочнее.
10. 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).
11. Рядом на корпусе устанавливаем плату терморегулятора и фиксируем провод питания таким незатейливым способом. Сначала прижимаем пластиной с помощью саморезов, затем фиксируем герметиком.
12. 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 охлвжденными 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 теплеее, 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.
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.
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.
В 1834 году французский учёный-физик Жан Шарль Пельтье, исследуя воздействие электричества на проводники, обнаружил очень интересный эффект. Если пропускать ток через два разнородных проводника, находящихся в непосредственной близости друг от друга, то один из этих проводников начинает сильно греться, а второй, наоборот, сильно охлаждаться. Количество выделяемого и поглощаемого тепла, напрямую зависит от силы и направления электрического тока. Если поменять направление тока, то поменяются местами холодная и горячая стороны. Чуть позже этот феномен получил название эффекта Пельтье и был благополучно забыт из-за практической невостребованности на тот момент.
И лишь спустя сто с лишним лет, с расцветом полупроводниковой эры , появилась настоятельная необходимость в компактных, недорогих и эффективных охладителях. Так, в 60х годах 20 века появились первые полупроводниковые термоэлектрические модули, которые получили название элементы Пельтье.
В основе любого термоэлектрического модуля лежит тот факт, что разные проводники имеют разные уровни энергии электронов. Иными словами, один проводник можно представить как высокоэнергетическую область, второй проводник, как низкоэнергетическую область. При контакте двух токопроводящих материалов, во время пропускания через них электрического тока, электрону из низкоэнергетической области необходимо перейти в высокоэнергетическую область.
Этого не произойдет, если электрон не приобретёт необходимое количество энергии. В момент поглощения этой энергии электроном, происходит охлаждение места контакта двух проводников. Если поменять направление протекания тока, возникнет, наоборот, эффект нагревания места контакта.
Можно использовать любые проводники , но этот эффект становится физически заметным и значимым только в случае использования полупроводников. Например, при контактировании металлов, эффект Пельтье настолько незначителен, что практически незаметен на фоне омического нагрева.
ТЭМ - совокупность подобных термопар, соединённых друг с другом последовательно. Все термопары располагаются между двух керамических пластин. Пластина Пельтье. Пластины изготовлены из нитрида или оксида алюминия. Непосредственно само количество термопар в одном элементе может варьировать в очень широких пределах , от нескольких штук, до нескольких сотен или тысяч.
Иными словами, элементы Пельтье могут быть абсолютно любой мощности, от сотых долей, до нескольких сот или тысяч ватт. Постоянный ток последовательно проходит через все термопары и в результате верхняя керамическая пластина охлаждается, а нижняя, наоборот, греется. Если поменять направление тока, то пластины поменяются местами, верхняя начнёт греться, а нижняя охлаждаться.
В работе элемента присутствует одна особенность, которую активно используют для усиления охлаждающей эффективности этого приспособления. Как известно, при пропускании тока через элемент Пельтье возникает разность температур между поверхностью, разогревающейся и поверхностью охлаждающейся. Так вот, если ту поверхность, что активно нагревается подвергнуть принудительному охлаждению. Например, с помощью специального кулера, то это приведёт к ещё более сильному охлаждению поверхности, то есть той, что охлаждается. При этом разница температур с окружающим воздухом может достигнуть нескольких десятков градусов.
Достоинства и недостатки
Как у любого технического устройства, у термоэлектрического модуля есть свои достоинства и свои недостатки:
Проблема повышения КПД у ТЭМов упирается в неразрешимую пока, техническую головоломку. Свободные электроны обладают, по сути, двойной природой, что на практике проявляется и они одновременно являются переносчиками как электрического тока, так и тепловой энергии. Как следствие, высокоэффективный элемент Пельтье должен быть изготовлен из материала, обладающего одновременно двумя взаимоисключающими свойствами. Материал этот должен хорошо проводить электрический ток и плохо проводить тепло. Пока такого материала не существует в природе, но учёные активно работают в этом направлении.
Все термоэлектрические модули обладают соответствующими техническими характеристиками:
Применение ТЭМов
Несмотря на серьёзный недостаток присущий всем без исключения элементам Пельтье, а именно очень низкий КПД, эти устройства нашли довольно широкое применение как в науке и технике, так и в быту.
Термоэлектрические модули являются важными элементами конструкции таких устройств, как:
Элемент Пельтье в руках домашнего мастера
Нужно сразу оговориться, самостоятельное изготавливание термоэлектрического элемента занятие по меньшей мере бессмысленное и никому не нужное. Если только изготавливающий не является учеником седьмого класса и не закрепляет таким образом, полученные на уроках физики, знания.
Гораздо проще купить новый термоэлектрический элемент в соответствующем магазине. Благо стоят они недорого и недостатка в выборе конкретной модели не наблюдается. А кроме того, что в них нечему ломаться или изнашиваться, любой термоэлемент, снятый со старого компьютера или автомобильного кондиционера, не будет отличаться по своим техническим характеристикам от нового.
Наибольшей популярностью пользуется модель термоэлемента: TEC1-12706. Размеры этого устройства 40 на 40 миллиметров. Состоит он из 127 термопар, соединённых между собою последовательно. Рассчитан на ток в 5 А, при напряжении цепи 12 В. Стоит такой элемент в среднем от 200 до 300 рублей. Но можно найти и за сто, или, вообще, за так, если снять со старого компьютера или какого другого ненужного устройства.
Изготовить с помощью такого элемента можно, как минимум два очень интересных и полезных в хозяйстве устройства.
Как сделать холодильник своими руками
Производство портативных холодильников, в частности, для машин целиком основано на эффекте Пельтье. Для изготовления подобного устройства в домашних условиях понадобиться:
- Термоэлемент марки TEC1-12706. Стоит 200 рублей в ближайшем магазине (специализированном).
- Радиатор и вентилятор. Снимаются с отслужившего своё старого компьютера.
- Контейнер. Любая ненужная ёмкость из пластика, металла или дерева. Снаружи и изнутри такая ёмкость оклеивается теплосберегающими пластинами из пенопласта или пенополистирола.
Термоэлектрический модуль встраивается в крышку контейнера. В этом случае поступление холода будет происходит сверху вниз, что приведёт к равномерному охлаждению ёмкости. Изнутри контейнера, в его крышку с помощью термопасты и крепёжных болтов прикрепляют радиатор.
Для того чтобы увеличить мощность будущего холодильного устройства, можно увеличить количество термоэлементов, до двух-трёх и более. В этом случае модули приклеиваются друг к другу, с соблюдением полярности. Иными словами, горячая сторона нижележащего элемента контактирует с холодной стороной вышележащего.
Снаружи на крышку крепится ещё один радиатор вместе с компьютерным кулером. В месте крепежа радиаторов должна быть хорошая термоизоляция между холодной - внутренней и горячей - внешней сторонами. Необходимо очень аккуратно стягивать верхний и нижний радиаторы крепёжными болтами, чтобы не треснули керамические пластины, располагающихся между ними термоэлементов.
Электричество подключается с помощью блока питания, который можно взять от старого компьютера .
Портативный термоэлектрогенератор
Такая мини-электростанция может очень выручить туриста или охотника, когда в лесу сядут батареи всех электронных гаджетов. Очень романтично в этой ситуации взять несколько сухих щепок и шишек, развести небольшой костерок и с его помощью зарядить разряженные аккумуляторы, а заодно и поесть приготовить. Именно это позволяет сделать портативный термогенератор, построенный на термоэлементе.
Для постройки этого чудо-девайса необходимо наличие портативной походной печки, работающей на любом виде топлива. В крайнем случае сгодится даже небольшая свечка или таблетка сухого спирта.
В печке разводят огонь, а снаружи с помощью термопасты к ней крепится термоэлектрический модуль. Посредством проводов он подключается к преобразователю напряжения.
Величина получаемого тока напрямую будет зависеть от разницы температур между холодной и горячей сторонами термоэлемента. Для эффективной работы необходима разница между холодной и горячей поверхностью как минимум в 100 градусов.
В этом случае необходимо понимать, что максимальная температура ограничена температурой плавления припоя, с помощью которого изготовлен сам модуль. Поэтому для подобных устройств используют специальные термомодули, которые изготавливают с помощью специального тугоплавкого припоя. В обычных модулях температура плавления припоя составляет 150 градусов. В модулях тугоплавких, припой начинает плавиться при температуре 300 градусов.