Что такое элемент Пельтье и как его сделать своими руками?

Что это такое?

Этот термин относится к термоэлектрическому явлению, открытому в 1834 году французским натуралистом Жаном-Шарлем Пеллетье. Суть эффекта заключается в выделении или поглощении тепла в зоне соприкосновения разных проводников, по которым проходит электрический ток.

В соответствии с классической теорией существует следующее объяснение явления: электрический ток переносит электроны между металлами, что может ускорять или замедлять их движение в зависимости от контактной разности потенциалов в проводниках из разных материалов. Соответственно, с увеличением кинетической энергии она превращается в тепло.

На другом проводнике наблюдается обратный процесс, требующий восполнения энергии, в соответствии с фундаментальным законом физики. Это связано с тепловыми колебаниями, которые вызывают охлаждение металла, из которого изготовлен второй проводник.

Современные технологии позволяют производить модули полупроводниковых элементов с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.

Устройство и принцип работы

Современные модули представляют собой конструкцию, состоящую из двух изоляционных пластин (обычно керамических), с последовательно включенными между ними термопарами. Упрощенную схему такого элемента можно найти на рисунке ниже.

Блок модульного элемента Пельтье

Обозначения:

• А — разъемы для подключения к источнику питания;
• B — горячая поверхность элемента;
• С — холодная сторона;
• Д — медные жилы;
• E — полупроводник на основе p-перехода;
• F — полупроводник n-типа.

Конструкция выполнена таким образом, что каждая сторона модуля контактирует либо с p-n, либо с n-p-переходом (в зависимости от полярности). Контакты р-н греются, н-п — холодные (см рис. 3). Следовательно, по бокам элемента возникает разность температур (DT). Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть как передача тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что смена полярности питания приводит к смене горячих и холодных поверхностей.

Рис. 3. А — горячая сторона термопары, Б — холодная сторона

Основные эксплуатационные характеристики элемента Пельтье

Это устройство в целом идеально работает в тех случаях, когда термопары имеют хороший и надежный контакт с охлаждающим устройством, будь то радиатор охлаждения или вентилятор охлаждения со змеевиком, то есть хороший отвод тепла.

Модули Пельтье, как их часто называют, очень чувствительны к перепадам тока и напряжения (не более 5%). Под воздействием высоких температур (наиболее критичны для элементов до 150 градусов) многократно снижается КПД (до 40%) и модуль очень быстро ломается.

Как правило, в схеме работы полупроводниковых элементов недопустимым условием является адаптация релейных блоков: ограничение мощности или регулирование. Это приводит к разрушению кристаллических компонентов и выходу элемента из строя в ближайшем будущем.

Частое включение и выключение устройств также отрицательно сказывается на работе, сроке службы и долговечности. По законам физики любое нагревание материала приводит к его тепловому расширению, а охлаждение к сжатию. Следовательно, «запаиваются» особо слабые места полупроводниковых элементов, где из-за механического движения могут появиться дефекты в виде микротрещин и в конечном итоге разорвать цепь.

Коэффициент теплопроводности тепловых пар элемента Пельтье достаточно высок, что с одной стороны является преимуществом, а с другой стороны ограничивает срок службы и расчетное количество циклов стоп-старт-стоп».

Области применения элементов Пельтье

Хотя все такие аккумуляторы на основе элементов Пельтье имеют КПД 0,3-0,5, что фактически соответствует КПД, они активно используются в измерительных системах, различных видах вычислительной техники, а также в составе многих бытовых приборов, а именно:

• В составе холодильных установок (передвижных холодильников).
• В компьютерах, в видеокартах.
• В бытовых охладителях воды.
• Как генератор электричества, при этом одну из сторон элемента необходимо заставить нагреваться.
• Во всех типах цифровых устройств, где крайне важно качественное охлаждение (видеокамеры, микросхемы, устройства связи).
• В кондиционере.
• Для телескопического оборудования, требующего охлаждения.
• В составе приборов ночного видения.

Некоторые примеры использования модулей на элементах Пельтье будут рассмотрены ниже.

Мобильные холодильные установки, автохолодильники на элементах Пельтье

Несмотря на то, что степень охлаждения, реализуемая с помощью элементов Пельтье, значительно хуже, чем у компрессорных и абсорбционных холодильников, они активно используются в качестве передвижных холодильных установок, поскольку обладают следующими преимуществами:

• Простой дизайн.
• Нечувствительность к различным видам вибраций.
• Наличие только статичных деталей (исключение составляет система вентиляции, обеспечивающая охлаждение радиатора).
• Бесшумная работа.
• Компактность всего холодильника.
• Нет необходимости подгонять весь блок под конкретную поверхность.
• Длительность эксплуатации без потери всех своих основных качеств.
• экономичность с энергопотреблением.

Учитывая все вышесказанное, холодильники Пельтье идеально подходят в качестве мобильных устройств.

Использование элемента Пельтье в качестве генератора

Как было сказано выше, в качестве генераторов тока можно использовать термоэлектрические батареи при условии, что температура одной из сторон должна быть повышена.

Согласно эффекту Зеебека, расход I также будет увеличиваться при увеличении DT на сторонах модуля. Однако максимизировать DTmax не представляется возможным, так как слишком высокий уровень температуры расплавит припой, что приведет к поломке всего устройства (стандартная максимальная температура нагрева для обычных термоэлектрических модулей не превышает 150С).

Частично эта проблема может быть решена за счет использования тугоплавких припоев, допускающих нагрев Т до 300°С. Учитывая низкий КПД, такие конструкции применимы только в тех случаях, когда использование более эффективных генераторов невозможно, а именно, как в случае с холодильниками, для мобильных устройств.

Такие термогенераторы мощностью от 25 до 10 Вт отлично подойдут жителям отдаленных мест, в дальних поездках или при проведении геологоразведочных работ.

Более мощные генераторы уже используются в качестве стационарных установок и используются для питания ГРУ, приборов метеостанций и подобных установок.

Термоэлектрические модули, используемые в вычислительной технике

В последнее время термоэлектрические модули стали активно использоваться для охлаждения центрального процессора в персональных компьютерах.

Однако рентабельность такого использования элементов Пельтье довольно мала по следующим причинам:

1. Так как из-за малого значения коэффициента КПД для эффективного охлаждения необходимо питание устройства от достаточно мощного источника питания, это экономически нецелесообразно.
2. Процессор в компьютере греется именно в тех случаях, когда ему приходится обрабатывать большой объем информации, в случаях, когда запущено или запущено несколько программ одновременно. В ситуациях, когда компьютер просто включен или, например, экран находится в спящем режиме, термоэлектрический модуль способен понизить температуру процессора до точки росы, при которой в любом случае начнется образование конденсата. А любая повышенная влажность, как известно, крайне вредна для электроники.

Однако при использовании гибридных систем охлаждения, где термоэлектрические модули работают совместно с другими типами, используемыми для снижения температуры, использование элементов Пельтье считается оправданным.

Системы кондиционирования на термоэлектрических модулях

По принципу действия охлаждение с помощью тепловых модулей на элементах Пельтье вполне способно заменить мобильные системы климат-контроля в автомобилях. Но с учетом низкого коэффициента СОР для снижения температуры в салоне автомобиля требуется значительно большее количество электроэнергии, что экономически не оправдано.

С учетом того, что такая автомобильная система климат-контроля будет питаться от генератора, установленного в автомобиле, тока явно не хватит, потребуется установить другое, более мощное устройство. А вот с заменой штатного генератора на более мощный значительно возрастет расход топлива, что вряд ли устроит любого автолюбителя.

Поэтому использование охладителя на элементах Пельтье для кондиционирования воздуха пока не нашло должного применения.

Применение элементов Пельтье в кулерах

Во многих моделях современных кулеров, установленных в разных помещениях, вода охлаждается с помощью термоэлектрического модуля.

При этом конструкция всего агрегата оказывается намного проще и надежнее агрегатов компрессорного типа, и включает в себя следующие элементы:

• Модуль прямого охлаждения на термоэлектрических элементах.
• Административный контроль.
• Термостат.
• Нагревательный элемент.

Несмотря на то, что такая схема реализации водораспределителей используется повсеместно, она имеет и свои недостатки:

• Минимальная температура холодной воды составляет всего 10-12°C.
• Долгое время для снижения температуры до необходимых значений.
• Этот тип кулера реагирует на температуру окружающей среды, при этом при повышенной Т в помещении он не сможет охладить воду до нужного уровня.
• Учитывая, что в конструкции модуля присутствует вентилятор, его нельзя устанавливать в промышленных цехах с повышенным уровнем запыленности, так как это приведет к поломке последних.

Термоэлектрические модули Пельтье в осушителях воздуха

Если в кондиционировании не выгодно использовать охлаждающие модули на элементах Пельтье, их широко применяют в компактных осушителях воздуха, так как они способны понизить температуру до точки росы. В этом случае на специально сконструированном элементе возникает конденсат, который затем стекает в бак.

Хотя КПД устройства (КПД) очень низкий, его вполне достаточно для использования такого устройства в качестве осушителя для небольших помещений.

Технические характеристики

Свойства термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

• холодопроизводительность (Qmax), эта характеристика определяется исходя из максимально допустимого тока и разницы температур между сторонами модуля, измеряемой в ваттах;
• максимальный перепад температур между сторонами элемента (DTmax), параметр приведен для идеальных условий, единица измерения — градусы;
• допустимый ток, необходимый для обеспечения максимального перепада температур — Imax;
• максимальное напряжение Umax, необходимое для того, чтобы ток Imax достиг пиковой разности DTmax;
• внутреннее сопротивление модуля — Resistance, указывается в омах;
• коэффициент эффективности — COP (аббревиатура от англ. — коэффициент производительности), по сути, это КПД устройства, который показывает взаимосвязь между охлаждением и энергопотреблением. 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 TES1-12706

Маркировка разделена на три содержательные группы:

1. Обозначение предмета. Первые две буквы всегда неизменны (ТЕ), указывая на то, что это термопара. Следующий указывает на размер, это могут быть буквы «С» (стандартный) и «S» (маленький). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
2. Количество термопар в модуле, показанном на рисунке, равно 127.
3. Значение номинального тока в амперах у нас — 6 А.

Так же читаются маркировки других моделей серии TEC1, например: 12703, 12705, 12710 и так далее

Модель автохолодильника на Пельтье

В этой статье модель автомобильного холодильника, которую сделал автор канала Алекс Шев своими руками, несмотря на сложность получившегося изделия, всего за три дня. Устройство работает на элементах Пельтье. Ниже, в конце публикации, еще одна модель, работающая на той же основе. Использовались самые разные материалы и детали.

Ознакомьтесь с продуктами для изобретателей. Ссылка на магазин.

Применение

Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы широко используются в измерениях, обработке данных и бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом для следующих устройств:

• мобильные холодильные установки;
• небольшие генераторы для выработки электроэнергии;
• системы охлаждения в персональных компьютерах;
• охладители для охлаждения и нагрева воды;
• осушители и тд

Приведем подробные примеры использования термоэлектрических модулей.

Холодильник на элементах Пельтье

Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности своим компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют существенные преимущества, что делает их использование целесообразным при определенных условиях. Эти преимущества включают в себя:

• простота конструкции;
• виброустойчивость;
• отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
• низкий уровень шума;
• небольшие габариты;
• возможность работать в любом положении;
• долгий срок службы;
• низкое энергопотребление.

Эти свойства идеально подходят для мобильных установок.

Термоэлектрический автомобильный холодильник, установленный в автомобиле

Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Термоэлектрические модули могут выступать в роли генераторов тока, если одна из их сторон подвергается принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше ток, вырабатываемый источником. К сожалению, максимальная температура термогенератора ограничена; она не может быть выше температуры плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.

Для серийного производства термогенераторов используются специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300 °С. В распространенных элементах, например TEC1 12715, ограничение составляет 150 градусов.

Поскольку КПД таких устройств низкий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, теплогенераторы мощностью 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Крупные и мощные стационарные установки, работающие на высокотемпературном топливе, используются для питания газораспределительных установок, оборудования метеостанций и т.д.

Генератор термоэлектрический Б25-12(М) на 12 вольт, мощность 25 ватт

Для охлаждения процессора

Относительно недавно эти модули стали использоваться в системах охлаждения центральных процессоров персональных компьютеров. Учитывая низкий КПД термопар, польза от таких конструкций весьма сомнительна. Например, для охлаждения источника тепла мощностью 100-170 Вт (что эквивалентно большинству современных моделей ЦП) необходимо использовать 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.

Другой подводный камень заключается в том, что ненагруженный процессор будет выделять меньше тепловой энергии, и модуль может охлаждать его ниже точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, который наверняка выведет электронику из строя.

Тем, кто решил создать такую ​​систему самостоятельно, необходимо произвести ряд расчетов, чтобы подобрать мощность модуля для конкретной модели процессора.

Исходя из вышеизложенного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения ЦП невыгодно, кроме того, они могут привести к выходу компьютерного оборудования из строя.

Совсем иначе обстоит дело с гибридными установками, где тепловые модули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.

Термоэлектрический холодильник Армада

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

Кондиционер на элементах Пельтье

Теоретически такое устройство будет конструктивно намного проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело охладить небольшой объем холодильника, другое дело комнату или салон автомобиля. Системы кондиционирования на основе термоэлектрических модулей будут потреблять больше электроэнергии (в 3-4 раза), чем оборудование, работающее на хладагенте.

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

На тематических форумах периодически происходят обсуждения на эту тему, и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценный рабочий прототип еще не создан (не считая кондиционера для хомяка). Вполне возможно, что ситуация изменится, когда в широком доступе появятся модули с более приемлемой эффективностью.

Для охлаждения воды

Термоэлектрический элемент часто используется в качестве охладителя для водяных кулеров. В конструкцию входят: модуль охлаждения, контроллер, управляемый термостатом, и нагреватель. Такая реализация намного проще и дешевле компрессорной схемы, кроме того, она надежнее и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:

• вода не охлаждается ниже 10-12°С;
• охлаждение занимает больше времени, чем у компрессорного аналога, поэтому такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством сотрудников;
• прибор чувствителен к внешней температуре, в теплом помещении вода не остынет до минимальной температуры;
• установка в пыльных помещениях не рекомендуется, так как может засориться вентилятор и модуль охлаждения выйдет из строя.

Настольный кулер для воды с элементом Пельтье

Осушитель воздуха на элементах Пельтье

В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Дизайн достаточно простой и доступный. Модуль охлаждения снижает температуру радиатора ниже точки росы, из-за чего влага из воздуха, проходящего через блок, оседает на нем. Осажденная вода сбрасывается в специальный накопительный бак.

Простой и недорогой китайский осушитель на элементах Пельтье

Несмотря на низкий КПД, КПД устройства в данном случае вполне удовлетворительный.

Холодильник своими руками

Эффект Пельтье используется для создания портативных холодильников. Модуль можно купить за 300-500 рублей, а радиатор с вентилятором взять от старого компьютера. В качестве емкости можно использовать любую пластиковую, фанерную или металлическую тару, оклеенную снаружи и внутри теплоизоляционными листами (пенопласт, пенопласт и др.) со светоотражающим слоем из алюминиевой фольги.

Модуль Пельтье практичнее вставить в крышку, но его можно установить и в стенку корпуса. Если его поставить сверху контейнера, холод движется вниз, обеспечивая равномерную температуру внутри.

С внутренней стороны к модулю термопастой приклеен радиатор, который также крепится к крышке. Можно склеить два модуля вместе, но нельзя перепутать полярность. Горячая сторона нижнего элемента должна соприкасаться с холодной стороной верхнего элемента. Это повысит эффективность охлаждения.

Снаружи к модулю приклеен радиатор с вентилятором от компьютерного кулера, также он крепится к крышке саморезами или шурупами. Крепления на горячей и холодной сторонах должны быть изолированы друг от друга, а шляпки должны быть заполнены клеем-расплавом.

Важно! Затяжку креплений радиатора нужно производить осторожно, чтобы не треснули керамические пластины модулей.

С внутренней стороны крышки установлена ​​теплоизоляционная прокладка. Для улучшения теплоизоляции элементы по торцам закрываются каркасом из теплоизоляции.

Электрика подключена к источнику питания.

Потребляемая мощность элемента Пельтье

Сам элемент Пельтье считается очень энергоемким. Контроль температуры сторон достигается напряжением. Чем выше напряжение, тем больше ток он потребляет. И чем больше энергии он использует, тем быстрее он нагревается. Поэтому можно регулировать холод тупо меняя значение напряжения).

Вот некоторые значения электрического тока, потребляемого элементом Пельтье:

При напряжении 1 вольт он потребляет 0,3 ампера. Неплохо)

Повышаю напряжение до 3 вольт

Уже потребляет почти 1 Ампер.

До 5 вольт

Чуть больше полутора ампер.

Даю 12 вольт, то есть рабочее напряжение:

Потребляет почти 4 ампера! грабеж).

Давайте примерно посчитаем мощность. 4×12=48 Вт. Это даже больше, чем 40-ваттная лампочка у вас в кладовке.) Если элемент Пельтье такой прожорливый, то целесообразно ли делать из него бытовые холодильники и холодильные камеры? Конечно нет! Такой холодильник будет потреблять не менее 10 киловатт! Но есть один маленький плюс — будет совсем тихо :-). Но если нет возможности, холодильники делают сами из элементов Пельтье. В основном это мини-холодильники для автомобилей. Также элемент Пельтье используется некоторыми для охлаждения процессора ПК. Получается очень эффективно, но с точки зрения энергопотребления все же лучше установить старый добрый вентилятор.

Достоинства и недостатки модуля Пельтье

Сравнивать установку Пельтье с другими холодильными установками с разными станциями в принципе невозможно и нецелесообразно, так как в первом случае они имеют полупроводниковые материалы в виде кристаллов, а во втором случае рабочим телом является газ или жидкость (например: компрессорный холодильник). Оба устройства используются в разных областях.

К преимуществам элементов Пельтье относятся:

• полное отсутствие механики движения и вращающихся частей, а также жидкостей, газов;
• абсолютно никакого шума от устройств;
• относительно небольшой размер;
• двойная функциональность: обогрев и охлаждение с изменением полярности;

К недостаткам относятся:

• относительно низкая эффективность;
• потребность в постоянном источнике энергии, мощности;
• количество пусков и остановок ограничено;
• плавное включение и выключение термоэлектрических устройств;
• управление нагревом с одной стороны или охлаждением с другой с помощью вентилятора.

Как подключить?

Проблем с подключением модуля не возникнет, на выходные провода необходимо подать постоянное напряжение, значение указано в техпаспорте элемента. Красный провод должен быть подключен к плюсу, черный провод к минусу. Обратите внимание на следующее! При изменении полярности происходит переключение охлаждаемой и нагреваемой поверхностей.

Как изготовить мини-холодильник, чиллер или кондиционер на теплоэлектрических модулях своими силами

Более сложной задачей является охлаждение воздуха. Если эффективность охладителя обеспечивается разностью плотностей среды (вода — воздух), то в случае однородной среды (воздух — воздух) дело обстоит сложнее. Основная трудность заключается в снятии температуры с горячей стороны поверхности ТЭМ. Точнее — синхронный съем температуры с обеих поверхностей. Если просто запустить элемент Пельтье-Зебека, нагретый и охлажденный воздух смешаются, и температура выровняется.

В закрытых помещениях небольшого объема (до 0,7 м3) вполне применима система охлаждения на основе ТЭМ с двухсторонним выходом воздуха. Это позволяет построить новый холодильник или дать новую жизнь старому холодильнику (морозильнику). Для этого нужно немного усложнить систему, включив пару вытяжных вентиляторов с совместным питанием, термовыключатель, радиатор с оребрением и использовать более эффективные термоэлектрические модули.

Нам потребуется (для одной базовой точки охлаждения):

1. ТЭМ ТЭС1-12712 (40Х40), 106 Вт — 1 шт.
2. Вентилятор RQA 12025HSL 110VAC (или более мощный) — 2 шт.
3. Радиатор ГС 036-100 (100х85х25 мм).
4. Термостат ТАМ-133–1м (термостат с датчиком).
5. Источник питания постоянного тока 12 вольт, 6 ампер (регулируемый).
6. Дюралюминиевая пластина.
7. Провода, термопаста, крепеж

В готовом коробе в верхней части охлаждаемой зоны делаем прямоугольное окно размерами 100х100 мм. Выкраиваем два листа дюралюминия размерами 130х130 мм и 180х180 мм. Закрепляем вентилятор посередине меньшей пластины таким образом, чтобы оставался воздух на 1 см. Внутрь короба устанавливаем термовыключатель. Крепим самую маленькую из пластин изнутри коробки (с вентилятором внутри коробки) на саморезы или заклепки через герметик. Прикрепляем ТЭМ к смонтированной пластине и выводим провода. Вырезаем и сгибаем большую пластину так, чтобы она вошла в монтажное отверстие, но при этом остались бортики для крепления к стене на коробке снаружи. Закрепляем на нем радиатор и второй вентилятор. Обильно смазываем ТЭМ термопастой и крепим пластину к стенке бокса через герметик.

Обратите внимание на следующее! Должен быть максимальный контакт между площадью ТЭМ и пластиной!

Собираем электрическую цепь. Рекомендуем включать вентиляторы с постоянной максимальной мощностью, а ток для ТЭМ — через регулятор. Это обеспечит эффективный сбор температуры и перемешивание воздуха при работе в разных режимах (не на полной мощности).

Преимущества данной конструкции:

• тихая работа по сравнению с компрессорными холодильниками;
• отсутствие механизмов и подвижных частей, сил трения (нечему ломаться);
• жидкие теплоносители (фреон) не используются);
• общая потребляемая мощность около 200 Вт;
• можно модернизировать дизайн, варьировать производительность;
• наличие и техническое обслуживание отдельных агрегатов.

Ошибка:

• на дюралюминиевых пластинах может появиться конденсат;
• внешний блок управления;
• многие факторы и нюансы работы выявляются опытным путем при использовании;
• небольшая площадь использования.

Расчет затрат на строительство базовой системы охлаждения холодильника и кондиционера:

Имя	Единица обр.	Число	Цена ед./руб.	Искусство, руб.
ТЭМ ТЭС1-12712 (40Х40), 106 Вт	пКС.	один	600	600
Вентилятор RQA 12025HSL 110 В переменного тока	пКС.	2	150	300
Дюралюминий 3 мм	пКС.	один	300	300
Источник постоянного тока	пКС.	один	300	300
Термостат ТАМ-133-1м	пКС.	один	250	250
Радиатор ГС 036-100	пКС.	один	220	220
Провода, термопаста, крепеж, припой	—	—	300	300
Общий				2270

В принципе, эта конструкция представляет собой готовый встраиваемый кондиционер, который можно установить в кабине автомобиля, трактора, в закрытом шкафу или навесе охраны. Необходимо только учитывать конструктивную защиту от атмосферных осадков.

Запас хода модуля TEC1-12712 довольно большой. Амплитуда температур по бокам элемента может достигать 50 градусов. При температуре в помещении +27°С и использовании жидкостной системы охлаждения (радиатор + вентилятор) можно выжать на выходе впечатляющие минус 25°С! Это позволяет делать безкомпрессорные и тихие морозильники самостоятельно в домашних условиях.

Элементы Пельтье своими руками

Получив теоретические знания о функции биметаллического устройства, пора переходить к тому, как сделать элемент Пельтье своими руками. Но сначала нужно выбрать нишу для приложения. Хотя бы потому, что устройство можно использовать для охлаждения чего-либо, нагревания или в качестве генератора для выработки электроэнергии. Последний вариант предпочтительнее из-за ненужности большого количества исходных материалов, хотя бы потому, что сделать многовольтный и высокоамперный прибор сложно в любом случае, тем более в домашних условиях, а зарядить что-то, уменьшенную версию из этого также подходит. Хотя лучше купить готовый элемент Пельтье с необходимой мощностью на торговых интернет-площадках, чем заниматься первоначальным и достаточно убыточным производством.

Из диодов и транзисторов

Фактически любой элемент Пельтье представляет собой гирлянду из последовательно соединенных диодов, работающих в режиме пробоя. По сути, любой электронный компонент, пропускающий ток в одном направлении и препятствующий его течению в противоположном, построен на принципах соединения полупроводников p-n-типа. Что в свою очередь говорит о том, что система напоминает желаемую конструкцию, похожую на то, что есть у модуля Пельтье. Если брать в расчет диоды с пластиковой оболочкой (в том числе и излучающие свет), только корпус прибора препятствует доступу к самим контактным пластинам из разных металлов.

Вот они, две полупроводниковые пластины в прозрачном диоде:

Случай с транзисторами аналогичен, конечно учитывая, что у большинства из них три контакта, два из одного типа полупроводника и один (меньше) из другого. Хотя от корпуса проще избавиться, если он металлический, что довольно часто встречается у элементов названного типа – достаточно срезать верхнюю крышку и получить доступ к открытым контактным пластинам.

Металлический транзистор со снятой крышкой:

Процедуру избавления от тела мы оставим читателям, с рекомендацией попробовать нагрев, кислоту или механическое удаление барьера. Когда дело доходит до подключения контактных площадок, некоторые фанаты, как сообщается, использовали медное покрытие поверх контактных площадок в электрическом отношении. Затем к подготовленным площадкам припаивались токопроводящие контакты.

После получения необходимых металлов самое главное при их соединении помнить о направлении тока и последовательном соединении, которое выглядит как pnpnpn, учитывая тип полупроводников. Кроме того, чем больше элементов используется в конструкции, вне зависимости от их размера, тем выше КПД получающегося генератора или устройства, создающего наряду с холодом тепло.

Читайте также: Винт своими руками — как сделать и сделать гибким — производство

Пример расчета

Исходные данные: U = 12 В, Qc = 60 Вт и Th = 50 °С.

При напряжении 12 В по характеристике U(I) находим силу тока I=5 А.

При токе 5 А разность температур dT = 4 К. Тогда Tc = Th — dT = 50 — 4 = 46 °С.

Взяв более мощный модуль можно увеличить dT. Для модуля мощностью 131 Вт, где Imax= 8,5 А, Umax= 28,8 В, и объекта с тепловыделением 60 Вт разница температур составит 40 °С. Тогда Ts = 50 — 40 = 10 °С.

Выбирая ТЭМ по мощности, не следует забывать, сколько тепла он будет выделять. Этот тепловой поток необходимо отводить с помощью подходящих охлаждающих жидкостей. Когда традиционные средства не справляются с выделением тепла, применяют водяное охлаждение.

Выделение тепла

Охлаждающий эффект ТЭМ невелик, и он выделяет много тепла. При использовании в системном блоке значительно повышается температура внутри, что сказывается на работе остального оборудования. Другими средствами его снижения являются вентиляторы и радиаторы, создающие отвод тепла.

Тепловой режим модуля необходимо правильно рассчитать, чтобы не было перегрева и не образовывался конденсат на электронных платах. Охладитель Пельтье был выбран с оптимальным эффектом, когда важно обеспечить правильное соотношение между температурой внутри бокса, охлаждаемым объектом и влажностью.

Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?

Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к подходящему источнику напряжения и коснуться его разных сторон. Для полезного элемента один из них будет горячее, другой холоднее.

Если подходящего источника нет, вам понадобится мультиметр и зажигалка. Процесс проверки достаточно прост:

1. подключите щупы к клеммам модуля;
2. поднести зажженную зажигалку к одной из сторон;
3. наблюдать за показаниями прибора.

В рабочем модуле при нагреве одной из сторон вырабатывается электрический ток, который отображается на панели приборов.

Современное использование элементов Пельтье

Любое устройство используется с учетом его достоинств и уменьшения его недостатков.

К преимуществам элементов Пельтье относятся следующие особенности:

• Статическое использование устройства — для выработки электроэнергии не требуется никаких движений.
• Простая регулировка температуры охлаждения или нагрева.
• Способность термопары быть как нагревателем, так и охладителем.

Недостатками этих элементов являются необходимость постоянного питания модуля от источника питания и высокая стоимость модулей, состоящих из большого количества термопар.

Количество энергии, генерируемой термопарами, может составлять от нескольких ватт до тысячи ватт. В одной и той же области их значение меняется.

Необычные свойства термопары позволяют найти ряд применений:

• в небольших кондиционерах;
• в мобильных холодильниках, в быту и автомобилях;
• кулеры с водой в офисе;
• для безопасного охлаждения компьютерного оборудования;
• в качестве переносного или небольшого электрогенератора.

Кондиционер простейшей конструкции

Просто сборные кондиционеры доступной конструкции и малой мощности работают на элементах Пельтье для охлаждения небольших объемов, например салона автомобиля.

Несмотря на невысокую стоимость такого кондиционера, экономия расхода топлива при работе обычных кондиционеров климат-контроля на элементах Пельтье в данном случае делает его выгодным.

Маломощный холодильник

На элементах Пельтье можно сделать только маломощный холодильник, но с большими преимуществами. Эти холодильники:

• потребляет небольшое количество электроэнергии;
• иметь простой дизайн;
• имеет длительный срок службы;
• не шуми;
• занимает мало места;
• нормально работает лежа на боку и в движении.

Это важные характеристики для портативных приборов, таких как автомобильный холодильник.

Кулер для воды

Кулер для воды – это устройство, предназначенное для охлаждения и нагрева воды.

Термопара хорошо охлаждает воду. Он состоит из термостата, термопары и некоторых других частей.

Такая конструкция надежна и дешева, но имеет небольшие недостатки:

• в пыльном помещении с загрязненным воздухом устройство быстро забивается;
• жидкость остывает только до +10 градусов Цельсия;
• в жаркую погоду водяное охлаждение происходит медленно.

Осушитель воздуха

Такой прибор на термопаре хорошо подходит для помещения, конструкция простая и дешевая.

Модуль термопары быстро охлаждает приборную решетку, через которую нагнетается воздух. При этом конденсируется влага, которая стекает в поддон.

Охлаждение процессора

Термоэлектрические модули используются для охлаждения персональных компьютеров.

Однако такой вид использования термоэлектрического модуля требует особой осторожности, так как существует вероятность того, что этот модуль при недогрузке процессора будет снижать температуру до образования конденсата, что может привести к серьезному повреждению компьютера.

Если термоэлектрический модуль совместить с воздушным охлаждением, получится надежная, но дорогая система.

Генератор электроэнергии

Элемент Пельтье может генерировать электрическую энергию. Сила результирующего электрического тока увеличивается с увеличением температурного разброса поверхностей термопар.

Проблема с расплавлением припоя внутри модуля. Однако можно использовать очень дорогие припои с высокой температурой плавления.

Недорогие термоэлектрические генераторы закупаются для использования в отдаленных, безлюдных местах в экспедициях и походах.

Практический опыт с элементом Пельтье

Он может выглядеть по-разному, но его основной вид — прямоугольная или квадратная платформа с двумя проводами. Сразу отметьте сторону «А» и сторону «Б» для дальнейших экспериментов

Почему я пометил страницы?

Думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас полностью остынет? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно прочитайте определение элемента Пельтье. Видите там фразу «разность температур»? Вот и все. Итак, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. В нашем мире нет ничего идеального.

Чтобы определить температуру с каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать мультиметр, идущий в комплекте с термопарой

Теперь показывает комнатную температуру. Да, я горячий ;-).

Чтобы узнать, какая сторона элемента Пельтье нагревается, а какая охлаждается, подключаем красную клемму к плюсу, черную к минусу и подаем какое-то напряжение, два-три вольта. Я обнаружил, что моя сторона «А» охлаждается, а сторона «В» нагревается, ощупывая их рукой. Если поменять полярность, ничего страшного не произойдет. Просто сторона А нагреется, а сторона Б остынет, то есть поменяются ролями.

Пока вы здесь, узнайте, что такое твердотельное реле! Это свободно.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье составляет 12 вольт. Так как к красному я его подключил — плюс, а к черному — минус, у меня сторона Б греется. Давайте измерим ее температуру. Подаем напряжение 12 вольт и смотрим на показания мультиметра:

77 градусов по Цельсию — это не шутки. Эта сторона такая горячая, что обжигает пальцы, когда к ней прикасаешься.

Поэтому главной особенностью использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор. Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Пока снял радиатор от усилителя, который отдали в ремонт. Намазал термопастой КПТ-8 и прикрепил к радиатору элемент Пельтье.

Подайте 12 вольт и измерьте температуру на стороне А:

7 градусов Цельсия). При прикосновении пальцы замирают.

Но есть и обратный эффект, когда можно генерировать ток с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример — фонарик, работающий от тепла рук