Если любопытства ради все же разобрать такой модуль, то можно четко разглядеть кубики разнородных полупроводников (n-типа и p-типа), припаянные к медным подложкам, и соединенные друг с другом в последовательную цепь змейкой. Легко заметить, что сначала на медные подложки был нанесен легкоплавкий припой, а затем установлены составные части термопар.

В таком исполнении как на приведенном фото, получается 127 p-n- и 127 n-p-переходов, причем все n-p-переходы (для направления тока от плюса к минусу) расположены с одной стороны модуля, а все p-n-переходы — с другой его стороны.

На тех медных шинках где ток идет в направлении n-p-перехода, теплота поглощается (происходит интенсивное охлаждение данной стороны модуля), а там где ток идет в направлении p-n-перехода — эта же (теоретически) теплота выделяется. Таким образом модуль Пельтье переносит тепло с одной керамической пластины — на противоположную.

А вот и двухслойный модуль TEC2-25408, состоящий по сути из двух модулей TEC1-12704, соединенных параллельно, но имеющий размеры 40 на 40 мм и толщину 8 мм. Такой двухслойный охладитель способен дать до 70 Вт холодильной мощности при потреблении 96 Вт электрической мощности.

Его внутреннее сопротивление в выключенном состоянии равно примерно 1,5 Ом. Предельно достижимая разница температур в рабочем режиме составляет 65 ºC. Очевидно, при одной и той же предельной разнице температур с модулем TEC1-12705, двухслойный модуль TEC2-25408 будет охлаждать (перекачивать тепло) в полтора раза быстрее.

Далее представлен четырехслойный модуль TEC4-24603 толщиной 13,6 мм и шириной 40 мм, рассчитанный на напряжение 14,6 вольт и номинальный ток в 3 А. При потребляемой электрической мощности в 44 Вт, данный модуль способен обеспечить холодильную мощность 6,8 Вт и разницу температур до 107 ºC.

Составные элементы включены здесь последовательно. Как и любой модуль Пельтье, данная четырехслойная модель не допускает применения без радиатора более секунды.

Наконец, шестислойный модуль Пельтье TEC6-60506, рассчитанный на номинальное напряжение 30 вольт и ток 6 А. При ширине в 62 мм и толщиной 23 мм, данный модуль электрической мощностью 180 Вт способен обеспечить разницу температур до 100 °C с холодильной мощностью в 10 Вт. Модуль такого типа применим в установках, предназначенных для глубокой заморозки.

Источник

Авто холодильник на элементе Пельтье своими руками

В своем первом посте, хотел бы поделиться собственным опытом по созданию авто холодильника своими руками. Изучив достаточно много видео сюжетов из YOUTUBE, данной тематики, мой выбор пал на принцип работы авто холодильника на элементе Пельтье. Чем удобен данный принцип при создании холодильника, какие плюсы и минусы имеет прибор и в чем особенности работы такого авто холодильника расскажу Вам сегодня.

Принцип работы и конструкция.

Основной принцип работы элемента Пельтье, который был выбран за основу в качестве охлаждающего элемента, для создания авто холодильника, заключается в использование разности температур, возникающей на верхней и нижней частях самого элемента. То есть, если на элемент подается питание равное 12В, возникающий ток внутри элемента преобразует энергию в тепловое излучение на верхней стороне элемента (нагревается), в то время как на противоположной, — нижней части, формируется холодный поток энергии (охлаждается). Именно он и является источником охлаждения для конструкции холодильника. Что при этом необходимо запомнить? – Должна строго соблюдаться полярность проводов, при подачи тока для питания элемента. Именно поэтому, при приобретении, и установке элемента Пельтье в нашу конструкцию, прошу обратить внимание на цвета проводов, которые питают сам элемент. Красный (+) и черный (-), если при этом случайно изменить полярность при установке, будут нагреваться и охлаждаться противоположные части элемента. При сборе конструкции так же критично, — обеспечить эффективное принудительное воздушное охлаждение части элемента, которая будет нагреваться (верхняя), с помощью куллера, вентилятора от ПК. При этом, чем мощнее будет сам вентилятор куллера, тем эффективней, а значит холоднее будет нижняя часть элемента. Так же, важнейшей причиной тщательной и аккуратной сборки конструкции охлаждающего элемента нашего холодильника, является надежная изоляционная прокладка, отражающего тепло материала, для верхней стороны элемента Пельтье, чтобы нижняя часть максимально охлаждалась. Крепить элемент между верхним радиатором, который нагревается и нижним, — который охлаждается необходимо по типу «сэндвич», на практике это выглядит следующим образом: верхний радиатор, затем тонкий слой теплопроводной пасты КПТ-8 (возможно приобрести в магазинах, по продаже комплектующих к компьютерной технике или радио рынок, цена вопроса 10-25 грн.за тюбик, в качестве емкости иногда используется шприц), на слой пасты плотно клеим верхнюю часть керамической поверхности самого элемента Пельтье, затем снова слой теплопроводной пасты на нижней стороне керамического элемента Пельтье и непосредственно к ней, клеем нижний радиатор, который и будет охлаждать наш холодильник, плотно прижимаем и даем конструкции просохнуть (4-5 часов). Рекомендую так же на нижнем охлаждающем радиаторе установить еще один куллер, — он будет более эффективно распространять холод по внутренней поверхности емкости холодильника, — быстрее будет проходить охлаждение холодильника при запуске, как правило требуется (+/- 1-1,5 часа для достижения рабочей температуры функционирования холодильника). При работе холодильника, дополнительный вентилятор куллера исключает возможность появления конденсата на поверхности внутреннего холодного радиатора (помещенные внутрь продукты не будут влажными!). Этот процесс напрямую зависит от температуры воздуха среды, где находится сам холодильник, чем выше температура, тем дольше будет проходить процесс охлаждение холодильника при запуске. Немаловажную роль в эффективности охлаждения холодильника, играет теплоизоляция самого бокса, который будет использован в качестве емкости для холодильника и его объем! Я применил для этих целей, заранее купленный ящик для инструментов (обязательно наличие фиксаторов замков в нем, чтобы исключить возможность попадания теплого воздуха в холодильник из вне. В качестве внутренней изоляции для бокса холодильника была применена жидкая монтажная пена, и заранее подготовленная дополнительная емкость, которую я изготовил из остатков оконного отлива белого цвета. Пространство между стенками ящика для инструментов и дополнительной емкостью из жести, было задуто монтажной пеной (лишнюю пену, после сушки бокса срезал).

Питание и возможности штатного подключение к сети.

На самом деле, возможностей использования холодильника на элементе Пельтье множество. Это может быть как штатная электро система автомобиля 12В, так и сеть переменного тока 220-240В. Важно сразу постараться, разобраться для каких целей вам необходим холодильник. Конструкция собранная мной, достаточно универсальна, т.к может использовать в качестве питания и сеть переменного тока и сеть постоянного тока в автомобиле. Но при этом возможность универсального использования предполагает большие финансовые затраты на подготовку и сборку авто холодильника. Этот момент объясняется использованием дополнительных встроенных блоков питания в холодильнике, для использования в сети 220-240В. Если использовать в качестве питания прибора только штатную систему автомобиля, можно существенно удешевить конструкцию (отсутствие в холодильнике дополнительных дорогостоящих блоков питания, необходим только штатный разъем прикуривателя для подключения прибора). Мне холодильник понадобился не только в авто но и загородом, удобно использовать, например, холодильник на даче с системой питания в 220-240В в доме. Но это лично мое мнение, если предполагаете использовать исключительно в авто, стоить «постройка» этого чуда будет значительно дешевле. Отдельное внимание необходимо уделить выбору мощности модуля, т.к при подборе эффективного модуля для охлаждения авто холодильника первое на, что следует обратить внимание- это объем емкости для холодильника. Чем больше будет объем бокса, тем мощнее должен быть модуль Пельтье. В маркировке серии модуля первые три цифры – это количество микроэлементов, которые находятся внутри модуля, как правило эта цифра 127. Последние две цифры в маркировке – это интересующая нас сила тока элемента, от которой напрямую зависит мощность прибора. Для примера ниже привожу таблицу серии модулей Пельтье и предварительную стоимость в Днепропетровске на 05.03.2015. Интересующий модуль возможно приобрести здесь, а так же все остальные комплектующие для изготовления.

Таблица мощности элементов Пельтье и приблизительная стоимость.

Основной принцип при подборе необходимого элемента заключается в точном расчете силы тока элемента с мощностью источника подачи питания к элементу, в пропорциональном соотношении 1:1, т.к при подачи на элемент, силы тока, меньшей, чем заявленная сила тока в серии элемента, приведет к неэффективной работе элемента Пельтье. Не так критично напряжение, но тоже желательно соблюдать пропорцию 1:1. Внимание! При подаче силы тока на элемент, значительно превосходящую мощность самого элемента – нагрев будет происходить с двух сторон элемента, в итоге приведет к перегреву элемента (проверял сам, не повторяйте моих ошибок – потратите деньги на покупку еще одного элемента).Тот же принцип действует при подборе адаптера, если планируете использовать холодильник так же от сети переменного тока 220-240В. В заключении, хотел бы отметить, для удобство использования авто холодильника не лишним будет, если вы разместите выключатель питания, как не банально звучит, достаточно полезный дополнительный модуль в конструкции холодильника)).

Преимущества и недостатки холодильника Пельтье.

Начнем с плюсов, прежде всего это компактность и легкость самого «аппарата», мой например рассчитан на 8л., не занимает много места на заднем ряду сидений авто или в багажнике. Простота и надежность использования, при правильной эксплуатации, имею в виду, подаваемую силу тока и напряжение, — прослужит достаточно долго, не требует дополнительного обслуживания и затрат. Стоимость, цена «заводского», как правило, китайского аналога, составляет более 1200 грн., европейские фирменные модели – более 7-10 тыс.грн., но и объем их, соответственно, тоже больше, чем предлагаемый мной вариант. К плюсам можно отнести поддержание холодильником постоянной температуры охлаждения, на протяжении всего периода активной работы, в отличии от обычной сумки-холодильника.
Теперь о минусах, их тоже достаточно, первое – техническая особенность, — поддержание внутренней температуры охлаждения, в среднем, не более 10-15 градусов, от температуры окружающей среды (мороженное конечно в нем не будет храниться в нормальном виде более 1 часа и т.д. Но для перевозки охлажденных напитков температуры более чем достаточно. Второй минус, при «постройке» и эксплуатации холодильника от сети переменного тока, — это достаточно высокая цена адаптера питания нужной силы тока для элемента Пельтье (как правило — это блоки от ноутбука, более 6А силы тока на выходе, их стоимость составляет более 250 грн.). Нужен минимум 1 час работы холодильника для достижение рабочей температуры.

P.S. Если этот пост для вас интересен, буду рад ответить на любые вопросы, поделиться советом, относительно создания, своими руками, авто холодильника на элементе Пельтье.

Внимание! Желательно не эксплуатировать прибор при слабом заряде аккумуляторной батареи авто или заглушенном двигателе. Потребляемая мощность моего варианта холодильника примерно 65 W.

Источник

ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

Элемент Пельтье TEC1-12706. Характеристики, применение, условия эксплуатации

Элемент Пельтье это термоэлектрический преобразователь, который создает разность температур на своих поверхностях при протекании электрического тока. Принцип действия основан на эффекте Пельтье – возникновении разности температур в месте контакта проводников под действием электрического тока.

Устройство и принцип действия элемента Пельтье.

Думаю, что только знатоки физики могут понять, как на самом деле работает элемент Пельтье. Для практиков главное, что существует минимальная единица модуля – термопара, представляющая из себя два соединенных проводника p и n типа.

При пропускании через термопару тока, происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n контакте. В результате, участок полупроводника, примыкающий к n-p переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то на оборот, n-p участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

Существует и обратный эффект. При нагревании одной из сторон термопары, вырабатывается электрический ток.

Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Пельтье может достигать 70 °C.

Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны, относительно другой. Т.е. чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

Для увеличения перепада температур, возможно последовательное (каскадное) соединение модулей.

Применение.

Термоэлектрические модули Пельтье применяются:

Я, используя элемент Пельтье, сделал холодильник для вина.

Достоинства и недостатки модулей Пельтье.

Как-то неправильно сравнивать элементы Пельтье с компрессорными охлаждающими установками. Совсем разные устройства – большая механическая система с компрессором, газом, жидкостью и маленький полупроводниковый компонент. А больше сравнивать не с чем. Поэтому достоинства и недостатки модулей Пельтье весьма условное понятие. Есть области, в которых они не заменимы, а в других случаях их применение совершенно нецелесообразно.

К достоинству элементов Пельтье можно отнести:

Параметры элементов Пельтье.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

Мною был разработан контроллер элемента Пельтье для холодильника, удовлетворяющим всем этим требованиям. Он:

Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706.

Это самый распространенный тип элемента Пельтье. Используется во многих бытовых приборах. Не дорогой, с неплохими параметрами. Хороший вариант для изготовления маломощных холодильников, охладителей воды и т.п.

Характеристики модуля TEC1-12706 привожу в переводе на русский из документации TEC1-12706.pdf компании производителя – HB Corporation.

Технические параметры TEC1-12706.

Графические характеристики.

Габаритный чертеж модуля TEC1-12706.

Рекомендации по эксплуатации.

Источник

Что такое элемент Пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение

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.

Сумка-холодильник на элементах Пельтье, нет компрессора, не нуждается во фреоне или других хладагентах

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.

Устройство модульного элемента Пельтье

Обозначения:

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:

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:

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:

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:

Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.

Термоэлектрический автохолодильник установленный в салоне автомобиля

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.

Термоэлектрический генератор B25-12 (М) на 12 вольт, мощностью 25 ватт

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.

Термоэлектрический кулер Армада

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:

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:

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

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Схема подключения самодельного термогенератора

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

Принципиальная схема преобразователя напряжения

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.

Источник