Система пельтье холодильник что это
Термоэлектрический охладитель Пельтье
Термоэлектрический охладитель Пельтье.
Принцип действия заимствовал из нета: В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.
При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.
Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.
Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К/
Описание
Элемент пельтье представляет из себя термоэлектрический преобразователь, который при подаче напряжения способен создать разность температур на пластинах, то есть перекачать тепло или холод. Представленный элемент Пельтье применяется при охлаждении компьютерных плат (при условии эффективного отведения тепла), для охлаждения или нагрева воды. Так же элементы Пельтье используются в переносных и автомобильных холодильниках.
Элемент Пельтье, работающий от 12 Вольт.
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.
Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам
Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).
Краткая теория
Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).
Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.
Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.
Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).
Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты: 
Пробуем
Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.
Выкатываем тяжелую артиллерию
Выводы и видео на сладкое
Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:
PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.
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.