Схема автохолодильника на элементах пельтье. Как сделать холодильник на элементе пельтье

Сделать автомобильный холодильник своими руками лучше всего на элементах Пельтье. Устройство такого холодильника значительно проще, чем привычного для нас агрегата с компрессором и фреоном в качестве хладагента. Несмотря на то что компрессорный холодильник имеет более высокий КПД, чем работающий на основе эффекта Пельтье, последний предпочтительней использовать в автомобилях. Так как он обладает другими немаловажными преимуществами: меньшими габаритами и бесшумной работой.

Компрессорная климатическая техника все же используется в автомобилях, например, кондиционер. Объясняется это тем, что кондиционер охлаждает большой объем и его не удастся сделать на основе эффекта Пельтье. К тому же кондиционер должен отводить тепло из салона автомобиля дальше, чем позволяет конструкция элемента Пельтье. Если вам достался старый домашний кондиционер, не спешите радоваться, так как вряд ли вам удастся сделать из него автомобильный холодильник.

Охлаждение без компрессора

Эффект Пельтье заключается в том, что при протекании электрического тока через контакт двух полупроводников с различными типами проводимости (p-n переход) в зависимости от направления тока происходит либо его охлаждение, либо нагревание. Объясняется это взаимодействием электронов с тепловым колебанием атомов кристаллической решетки. А при прохождении тока через последовательно соединенные переходы тепловая энергия, поглощенная одним p-n переходом, выделяется на другом.

Если расположить элемент Пельтье так, чтобы один p-n переход был внутри контейнера с хорошей теплоизоляцией, а другой снаружи, то получится небольшой холодильник, которому достаточно питания от автомобильного прикуривателя. Еще один холодильник, работающий без компрессора, – абсорбционный. Сделать холодильник в машину можно и из такого старого агрегата. Но в этом случае конструкция будет зависеть, от того, что вам досталось, поэтому непременно нужно будет поменять нагреватели и терморегуляторы на 12 вольтовые.

Делаем корпус

Для изготовления корпуса вам понадобятся материалы:

Один элемент Пельтье не сможет значительно охладить большой объем, поэтому для одного термоэлектрического элемента не делайте корпус больше чем 40×40×30 см.

Для распила оргалита используйте электрический лобзик или дисковую пилу, если же их нет в вашем арсенале, подойдет и обычная ножовка с мелким зубом. Из листов МДФ при помощи уголков и вытяжных заклепок соберите коробку, которая будет корпусом вашего мини-холодильника. Уголки располагайте изнутри, чтобы заклепки удерживались надежней. Все полости в стыках между деталями конструкции заполните герметиком. После высыхания герметика оклейте внутреннюю поверхность получившегося ящика утеплителем. Используйте для этого «жидкие гвозди».

На верхние торцы стенок наклейте поролоновый уплотнитель. МДФ очень гигроскопичен, поэтому перед оклейкой корпуса его необходимо загрунтовать. Вместо грунтовки разведите водой немного ПВА (в 1 часть клея добавьте 2 части жидкости). Загрунтуйте корпус, дайте ему просохнуть и оклейте его клеенкой. Не оклеивайте дверцу, так как она является радиатором, а оклейка ухудшит ее теплоотдачу.

Монтаж охладителя

Для этого понадобится:

Сначала нужно изготовить из алюминия два радиатора, смонтировать между ними охлаждающий элемент и отделить их друг от друга листом теплоизоляции. Эта конструкция будет по совместительству дверкой холодильника. При наружных размерах корпуса 40×40×30 см верхний радиатор должен быть 40×40 см, так как он будет закрывать бокс, а нижний 38×38 см, потому что он должен входить внутрь. Отрежьте от листа утеплителя квадрат 38×38 см, в его центре прорежьте отверстие по размеру охлаждающего элемента и приклейте его к меньшему радиатору на «жидкие гвозди». Припаяйте провода питания к выводам элемента (на вывод красного цвета нужно подавать «+», а на черный «землю»).

Положите большой радиатор вниз, а на него, теплоизоляцией вверх, маленький так, чтобы их центры совпадали. В сантиметре от каждого угла выреза в теплоизоляции просверлите по отверстию Ø 3 мм одновременно в двух радиаторах. Смажьте охлаждающий элемент с обеих сторон теплопроводящей пастой и положите на свободный от утеплителя участок меньшего радиатора охлаждающей стороной к металлу. Накройте его большим радиатором так, чтобы ранее сделанные отверстия совпали, и стяните получившийся сэндвич винтами с гайками до сжатия теплоизоляции и касания радиаторами охладителя. Контролируйте сжатие с помощью штангенциркуля измеряя расстояние между радиаторами. Толщина элемента равна 3,8 мм. После уменьшения зазора до этой величины стягивание пластин радиаторов следует прекратить.

Прикрепите получившуюся дверку к шарнирам, а их к корпусу таким образом, чтобы при ее закрывании меньший радиатор входил внутрь корпуса. Для вывода проводов из корпуса наденьте на них подходящий по диаметру отрезок резиновой трубки. В верхней пластине рядом с контактами подключения питания охладителя просверлите отверстие размером немного меньше наружного диаметра трубки. Выведите через него провода, оставив трубочку в отверстии, чтобы провод не терся о его края. Прикрепите вентилятор к дверце так, чтобы он был направлен на нее, и подключите его к той же паре проводов. Осталось прикрепить защелку и какую-нибудь ручку для переноски устройства и генератор холода готов.

Выбор сечения провода

Чтобы узнать ток, который потребляет построенный кондиционер, сложите номинальный ток вентилятора с аналогичным параметром охлаждающего элемента. После этого остается только выбрать из справочника соответствующие этому току сечение провода. Фрагмент справочника достаточный для принятия решения в этом случае мы приводим ниже. При длине подключения до 2 м:

• ток до 1,5 А, сечение провода – 0,3 мм 2 ;
• ток – 2,5 А, сечение – 0,5 мм 2 ;
• ток – 3,5 А, провод – 0,7 квадратов;
• ток – 7,5 А, провод 1,5 квадрата;
• ток – 10 А, провод – 2 мм 2 .

При длине подключения 3 м:

• I ном до 1,5 А, провод – 0,4 мм 2 ;
• I ном – 2,5 А, провод – 0,8 мм 2 ;
• I ном – 3,5 А, провод – 1,1 квадрата;
• I ном – 7,5 А, сечение – 2,3 мм 2 ;
• I ном – 10 А, сечение – 3,2 квадрата.

Если ваш кондиционер потребляет больший ток, чем тот, на который рассчитан предохранитель прикуривателя, придется подключить его к клеммам аккумулятора через собственную плавкую вставку. Зато вы сэкономите на разъеме для подключения к гнезду прикуривателя.

Сечение одножильного провода S после измерения его диаметра d можно посчитать по формуле – S=π * (d/2) 2 . Для определения сечения многожильного провода нужно посчитать количество жилок под изоляцией, вычислить сечение одной и умножить на их количество.

Если у вас нет штангенциркуля, диаметр одножильного провода вы можете определить с помощью обычной линейки. Для этого намотайте на отвертку 10 витков провода виток к витку и измерьте линейкой длину получившейся намотки. Поделите результат на 10, и получите диаметр провода.

Требования к питанию

Питание устройства должно быть постоянным током напряжение не более 15 В. Небольшие пульсации не мешают работе. Значит, в особых условиях самодельный кондиционер не нуждается и его можно просто подключать к бортовой сети автомобиля с 12 вольтовым электрооборудованием. Для владельцев автомобилей с напряжением бортовой сети 24 В можно порекомендовать соединять два охлаждающих элемента последовательно.

Преимущества и недостатки термоэлектрических охлаждающих устройств

Термоэлектрический охлаждающий кондиционер на основе эффекта Пельтье обладают следующими преимуществами:

1. Высокая удельная мощность охлаждения. При размерах 40×40×3,8 мм один элемент может отводить тепловую энергию мощностью до 57 Вт.
2. Бесшумность работы.
3. Невысокая стоимость. Один элемент стоит не более 3 долларов.
4. Высокая надежность. Время непрерывной работы до выхода из строя достигает 200 тыс. часов.

Недостатки кулеров Пельтье:

• Низкий КПД. Поэтому при большом охлаждаемом объеме тяжело добиться значительной разницы температур противоположных поверхностей.
• Кондиционер потребляет сравнительно большую мощность. Потребляемый одним элементом ток достигает 6 А.
• Часть потребляемой мощности расходуется на нагревание радиатора, отдающего тепло в атмосферу.

Сделанный своими руками холодильник, разумеется, не заметит кондиционер либо климат-контроль, но в любом случае облегчит поездки в жаркую погоду.

Во время борьбы за экологичность и достойное существование внимание обращается на мельчайшие детали. Устали от постоянного шума кулера в процессоре – помните, устройство требует охлаждения, иначе BIOS просто вырубит системный блок вместе с операционной системой. А в жару хочется покоя и тишины. Решение найдено. Прежде говорили, что холодильники не исключительно компрессорами живы, созданы альтернативные модели. Подумаем, возможно, удастся собрать холодильник собственными руками.

Предыстория холодильников, или Пособие для изобретателя

Упоминали в обзорах про адсорбционные холодильники, работающие на голубом топливе. Газ, сгорая, заставляет хладагент циркулировать и охлаждать отсеки. Безусловным достоинством конструкции считается бесшумность. Удаётся услышать легкое шипение от горения топлива, перетекания жидкости по трубкам. Но решение далеко не единственное. Писали, что дорогие автомобильные холодильники работают по иному принципу – на элементах Пельтье.

В 1834 году установлено, что при пропускании постоянного тока через проводники и полупроводники выделяется либо поглощается тепло. Эффект не списывался на закон Джоуля-Ленца: в последнем случае жар выделялся, но охлаждение оставалось недостижимым. Научного объяснения никто не дал, но стало известно, что при пропускании тока в одном направлении тепло поглощается, в другом выделяется!

Известен случай, когда студент отчитывался перед преподавателем на предмет цифровых технологий, компьютеры еще не обрели сегодняшней силы. Процессоры Пентиум II только-только появились на рынке РФ, хотя в США, безусловно, уже встречались и четвертые. Дело сводилось к питанию мозга ЭВМ, к желанию постоянно снизить вольтаж.

Заметили, что процессор потребляет 75 Вт. Одновременно напряжение питания оставалось в районе 3 В. Получается, что маленький кристалл потреблял ток… 25 А. Любой аккумулятор при зарядке не способен на такое. Преподаватель высказался, но оказался не совсем прав.

При указанном малом напряжении процессор в действительности потребляет гигантский ток, часть мощности уходит на полезные нужды, неизбежно происходит выделение тепла в окружающую среду. И ощутимого! Без кулера процессор может дойти до точки кипения, грелся бы дальше, но системы защиты выключат питание раньше. Получается, процессор расходует значительную мощность. Недавно на рынке появились элементы Пельтье, призванные охлаждать разбушевавшийся мозг. Некий пользователь заметил, что процессор охладился… до минус 10 градусов Цельсия. Впечатляет?

Элементы Пельтье нельзя назвать дешевыми. Как на их основе построить самодельный холодильник: поставить параллельно внутри термоизолированной емкости, где температура примется постепенно падать. Но мощность морожения холодильников не измеряется в ваттах, вычисляется по количеству (в килограммах) продукции, температуру которой возможно понизить до заданной. Не знаем, что подразумевается под утверждением, что мощность элемента Пельтье составляет 77 Вт. При цене 300 рублей за штуку стоит попробовать рассчитать стоимость самодельного холодильника, соотнеся указанные параметры. Мы предлагаем иной путь.

Помните, в обзорах приводили методику для определения потребной мощности нагрева помещения, а теперь ее используем в обратной последовательности. Шаги эксперимента:

1. Понадобится обыкновенный градусник. Лучше простой уличный. Градусник поместим в наш самодельный холодильник.
2. Делаем корпус. В настоящих холодильниках применяется для теплоизоляции пенополиуретан. Купите баллончик в магазине строительных материалов. Сгодится и пенопласт, рекомендуем применить изоляцию отражающего типа Пенофол либо подобную. К примеру, берется ящик, с двух сторон плотно отделывается упомянутым материалом, собственно, уже готов неплохой самодельный холодильник. Для сведения – материал взят из космической отрасли, где использовался для создания скафандров. Солнечные лучи убийственны вне атмосферы, а космический холод заставит вздрогнуть самого Саурона, но космонавту все перечисленное не причиняло особенного вреда под слоем Пенофола. Разумеется, в скафандрах применялось золото, серебро, а не алюминий, возможно, обошлось без полиэтилена. Факт – характеристики материала изумительны.
3. Охладителем вначале станет единственный элемент Пельтье. Вмонтируем его на клей-герметик. Потом покажем методику, позволяющую найти число модулей, необходимых, чтобы самодельный холодильник начал морозить.

Методика расчета самодельного холодильника на элементах Пельтье

Исходим из факта, что теплопотери зависят линейно от разницы температур внутри и снаружи самодельного холодильника. Идём от простого к сложному:

1. Допустим, температура в комнате составляет 20 ºС и на протяжении опыта остаётся неизменной. Начнем исследование. Очевидно, что при отсутствии элементов Пельтье температура внутри холодильника составит 20 ºС. Это первая точка на прямой (потери линейно растут от разности температур снаружи и внутри самодельного холодильника). Установим элемент Пельтье с радиаторами на обоих боках, причем наружный станет обдуваться кулером для усиления эффекта.
2. Через время температура в отсеке объемом 30 литров составила 14 ºС. Утверждаем, что, добавив еще два элемента Пельтье с радиаторами и кулерами, любой получит 2 градуса тепла внутри самодельного холодильника, если в комнате 20 ºС тепла. Схема:

Выводы по конструктиву самодельного холодильника

Остальные выводы читатели сделают самостоятельно: самодельный холодильник даст 2 градуса тепла по шкале Цельсия, если снабдить прибор тремя элементами Пельтье с кулерами. Опыт допустимо обобщать, подбирать оптимальную изоляцию, варьировать условия. К примеру, кулеры убрать, чтобы не шумели и не тратили энергию. Это упростит конструкцию. Но хотим охладить пыл изобретателей: в настоящих, не самодельных холодильниках, используются два вентилятора, для холодного и горячего контура. Экспериментируйте.

Устройство холодильника вытерпит компьютерный блок питания. Вспомните, сколько потребляет процессор! Элемент Пельтье далеко не главное внутри. Вольтаж уже заранее приспособлен, не придется искать редких деталей. Покупаете три элемента Пельтье, чтобы самостоятельно сделать холодильник, берете блок питания из старенького ПК, сооружаете коробку с двумя кулерами, получаете готовый продукт. Причем способный работать от автомобильного аккумулятора.

Принцип действия холодильника настолько очевиден, что понятен детям. При изменении направления тока элементы Пельтье работают на нагрев. Хорошо иметь рядом теплую пищу, когда вокруг нет подогревательного устройства. В последнем случае закон работает в обратную сторону. Три элемента Пельтье внутри самодельного холодильника обеспечат температуру на 18 ºС выше окружающей среды. Если в машине 25, в коробке покажет 43. Достаточно, чтобы перекусить и не жаловаться. Получается уже два прибора в одном лице.

Хотим сказать спасибо автору видео на Ютуб за великолепную идею, как сделать холодильник самостоятельно. Пусть задумка не слишком удалась, но лишь потому, что объем велик. Элементы Пельтье процессорные не настолько мощные, чтобы в одиночку одолеть большой объем, до конца не оформленный.

Предлагаем статью о том, как изготовить холодильник своими руками, разобравшись в принципе его работы.

Способ выработки холода напрямую зависит от габаритов будущего устройства. При больших размерах выбирают схему с фреоном, при маленьких – электрические элементы Пельтье.

Важно! При самостоятельном изготовлении обратите внимание на второй вариант, реализуемый в домашних условиях.

Далее рассмотрим, как самому сделать холодильник для дачи и машины, работающий от USB на 12 вольт. Что можно взять от компьютера или кулера для воды? Как собрать корпус из листового материала? Как делают холодильники на аммиаке и для прицепа?

Принцип работы и преимущества охлаждающего элемента Пельтье

Во время работы преобразователя Пельтье две его части имеют различную температуру. При прохождении электрического тока через охладитель, на верхней половине вырабатывается тепло, а на нижней – холодный поток.

Внимание! Приобрести охлаждающее устройство можно в магазине, реализующем компьютерные комплектующие либо радиотехнические детали.

К преимуществам такого холодильника стоит причислить отсутствие:

• движущихся элементов;
• транспортируемых сред;
• шума.

Инструкция по сборке термоэлектрического холодильника своими руками

Чтобы изготовить холодильник на элементах Пельтье своими руками, ознакомьтесь с пошаговой инструкцией. В ней подробно расписаны этапы и даны полезные рекомендации.

Материалы и инструмент

Для работы потребуется:

• пенополистирол. Подойдут листы толщиной 50 мм;
• элемент Пельтье;
• радиаторы с кулерами. Можно снять со старой компьютерной техники;
• термопаста;
• регулятор с температурным датчиком;
• монтажная пена;
• провода;
• штекеры для подключения к USB авто и/или розетке;
• канцелярский нож;
• измерительный инструмент и карандаш;
• паяльник.

Сборка корпуса

Чтобы обеспечить геометрическую точность корпуса холодильника, изготавливается шаблон. Его размеры должны соотноситься с необходимым объемом будущего устройства. Винный должен иметь высоту, достаточную для размещения бутылок.

Внимание! В качестве шаблона используют чертеж ящика или коробки подходящего размера.

Вычерченные элементы:

• вырезаются по размеру с помощью канцелярского ножа;
• соединяются между собой с помощью монтажной пены. Для этого элементы с нанесенной на их поверхность пеной соединяют и оставляют в неподвижном состоянии до полного высыхания состава. Для усиления теплоизоляционных характеристик стенки делают двойными.

Собранный короб окрашивается в выбранный цвет несколькими слоями.

К внутренней поверхности холодильного устройства приклеивают утеплитель с алюминиевой фольгой, используя жидкие гвозди.

При отсутствии листов экструдированного пенополистирола можно использовать:

• ламинат. Специальные пазы облегчают сборку конструкции. Материал обладает достаточной прочностью;
• пенопласт. Хорошо обрабатывается режущим инструментом. Влагостоек. Холодильник из пенопласта обойдется дешевле аналога из пенополистирола;
• МДФ или ДВП. Потребуется дополнительная обработка из-за низкой стойкости к воздействию влаги;
• пластик. Предпочтительны готовые боксы с крышками. Подойдет ящик для инструментов или кулер для воды.

Монтаж охлаждающего узла

Для обеспечения эффективного протекания физических процессов внутри переносного мини-холодильника, монтаж выполняют в следующей последовательности:

• перпендикулярно боковой стенке короба изнутри монтируется алюминиевый профиль. Он будет использоваться для передачи холода во внутреннее пространство;
• к зафиксированному алюминиевому профилю изнутри крепится радиатор, с помощью которого будет обеспечиваться перераспределение холодного воздуха по внутреннему объему;
• снаружи на профиль монтируется элемент Пельтье. От использования клея-герметика лучше отказаться из-за низкой эффективности. Предпочтительны шурупы.

Чтобы автомобильный холодильник обеспечил необходимый температурный режим, для охлаждения емкости используют три элемента. В качестве источника питания используют блок от компьютера. Если холодильник будет подключаться к автомобильному аккумулятору, потребуется удлинитель с разъемом для прикуривателя. Для регулирования температуры к холодильнику подключается терморегулятор.

Монтаж элемента Пельтье должен выполняться с соблюдением ряда правил. Необходимо:

• соблюдать полярность проводов. Неправильное подключение приведет к тому, что внутренняя часть будет нагреваться, а наружная – охлаждаться;
• своевременно отводить тепло от верхней части путем установки кулера. Без него элемент перегревается. Интенсивность отвода воздушного потока определяет мощность системы;
• качественно закрепить изоляционную прокладку. Ее характеристики определяют эффективность работы охладителя;
• в процессе монтажа между частями элемента и изоляционной пластиной следует нанести термопасту;
• для равномерного распределения холода и быстрого охлаждения внутри контейнера, на внутренней поверхности закрепляется еще один кулер. Он также будет препятствовать появлению конденсата.

Холодильники другого типа

Если вам нужна морозилка, стоит попытаться собрать компрессорный агрегат. Для него характерна быстрая и надежная заморозка. Самостоятельно изготовить такое устройство сложно. Надо обладать определенными знаниями и иметь в наличии компрессор, испаритель и конденсатор. Такой агрегат можно установить в прицеп машины, отправляясь на природу.

Существуют устройства абсорбционного типа. В их состав входят:

• генератор, в который подается насыщенная аммиаком смесь. После подключения к системе электроснабжения она закипает;

• конденсатор, обеспечивающий отвод тепла за пределы холодильника;
• абсорбер, в котором за счет разницы давлений водоаммиачный раствор поглощает пары аммиака. Процесс сопровождается выделением тепла. Для недопущения перегрева его охлаждают водой;
• испаритель, в котором выделяются пары хладагента;

Таким образом, самый простой вариант холодильника для автомобиля – устройство на элементах Пельтье. Это оптимальное решение в ситуации, когда туристическая сумка-термос не устраивает. Походный, на 12 вольт, станет подходящим вариантом для дачи, если предусмотреть специальный переходник на 220 В.

Видео: сумка холодильник своими руками

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.

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.

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.

Маркировка разбивается на три значащих группы:

1. 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.
2. Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
3. 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.

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:

1. подключаем щупы к выводам модуля;
2. подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
3. 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.