Содержание
Контейнер + кулер
- пластиковый контейнер объемом 1,5-2 л;
- минивентилятор от компьютерного блока питания;
- гофрированный сифон из пластика;
- клеевой пистолет;
- монтажный нож.
Как сделать самодельный кондиционер, сборка конструкции:
- Внутри крышки контейнера вырезать отверстие чуть меньшего размера, чем минивентилятор;
- Приклеить его к крышке так, чтобы поток воздуха был направлен внутрь контейнера (с помощью горячего клея).
- Вырезать отверстие для сифонной трубы.
- От гофрированного сантехнического сифона отрезать 25-30 см.
- Закрепить получившийся отрезок внутри крышки контейнера с помощью горячего пистолета.
- Поместить внутрь контейнера лед.
- Плотно закрыть крышку.
- Подключить минивентилятор к сети.
Направление охлажденного воздуха можно регулировать с помощью сифона. При возможности лучше использовать большой кусок льда. Воздушный поток, попадая в контейнер сможет в нем циркулировать и больше охлаждаться. В случае с маленькими кусочками льда такой циркуляции воздуха не будет.
Направление охлажденного потока можно регулировать с помощью сифона. Лучше использовать большой кусок льда. Воздушный поток, попадая внутрь контейнера сможет циркулировать и больше охлаждаться. С маленькими кусочками льда такой циркуляции не будет.
Как самостоятельно изготовить элемент Пельтье
Простота конструкции этого устройства располагает к тому, чтобы изготовить его самостоятельно. Тем более, что сфера его практического применения практически не ограничена: холодильники, кондиционеры и другая техника.
Предварительно следует заготовить пару пластин из металла, а также понадобится проводка с контактами. Прежде всего, запаситесь проводниками, которые будут установлены рядом с основанием устройства. Для этих целей лучше всего подойдут PP-проводники.
Далее, не забудьте, что на выходе должны быть установлены полупроводники, которые будут подавать тепло к верхней пластине. Для монтажа элемента потребуется паяльник. На финальном этапе понадобится подключить пару проводов. Один локализуется около основания и надёжно крепится рядом с крайним проводником. Значимо, чтобы не было никаких соприкосновений с пластиной.
Место крепления второго проводника располагается рядом с верхней частью и закрепляется аналогичным образом – у крайнего проводника.
Для проверки элемента на предмет работоспособности нужно будет воспользоваться тестером. Прибор подсоединяется к проводам и производится замер вольтажа. Стандартный показатель отклонения напряжения достигает примерно 23 Вольт.
Мощность элемента Пельте находится в прямой зависимости от его габаритов, это следует учитывать при самостоятельной сборке или монтаже. Установка недостаточно мощного элемента не предотвратит поломку техники, а лишь отсрочит её. В то же время избыточная мощность вызывает падение уровня температуры до критического уровня, когда влага, находящаяся в воздухе может начать конденсировать и оседать на поверхности устройств, что особенно опасно для электронных приборов.
Помимо этого, другая сторона модуля является источником достаточно большого количества тепла, поэтому для обеспечения его безопасной работы требуется вентилятор довольно большой мощности.
Принцип действия модулей
На контакте разнородных проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления электрического тока. Поток электронов обладает потенциальной и кинетической энергией. Плотность тока в контактирующих проводниках одинакова, а плотности потоков энергии отличаются.
Если энергия, втекающая в контакт, больше энергии, вытекающей из него, это означает, что электроны тормозятся в месте перехода из одной области в другую и разогревают кристаллическую решётку (электрическое поле тормозит их движение). Когда направление тока меняется, происходит обратный процесс ускорения электронов, когда энергия у кристаллической решётки забирается и происходит её охлаждение (направления электрического поля и движения электронов совпадают).
Энергетическая разность зарядов на границе полупроводников самая высокая и в них эффект проявляется наиболее сильно.
Модуль «Пельтье»
Больше всего распространён термоэлектрический модуль (ТЭМ), представляющий собой полупроводники p-, и n-типов, соединённые между собой через медные проводники.
Схема принципа работы модуля
В одном элементе существует 4 перехода между металлом и полупроводниками. При замкнутой цепи поток электронов перемещается от отрицательного полюса АКБ к положительному, последовательно проходя через каждый переход.
Вблизи первого перехода медь – полупроводник p-типа происходит тепловыделение в полупроводниковой зоне, поскольку электроны переходят в состояние с меньшей энергией.
Вблизи следующей границы с металлом в полупроводнике происходит поглощение теплоты, в связи с «высасыванием» электронов из зоны р-проводимости под действием электрического поля.
На третьем переходе электроны попадают в полупроводник типа n, где они обладают большей энергией, чем в металле. При этом происходит поглощение энергии и охлаждение полупроводника около границы перехода.
Последний переход сопровождается обратным процессом тепловыделения в n-полупроводнике из-за перехода электронов в зону с меньшей энергией.
Поскольку нагревающиеся и охлаждающиеся переходы находятся в разных плоскостях, элемент «Пельтье» сверху будет охлаждаться, а снизу нагреваться.
На практике каждый элемент содержит большое количество нагревающихся и охлаждающихся переходов, что приводит к образованию ощутимого температурного перепада, позволяющего создать термоэлектрогенератор.
Как выглядит структура модуля
Элемент «Пельтье» содержит большое количество полупроводниковых параллелепипедов p-, и n-типов, последовательно соединённых между собой перемычками из металла – термоконтактов, другой стороной соприкасающихся с керамической пластиной.
В качестве полупроводников применяется теллурид висмута и германид кремния.
Достоинства и недостатки ТЭМ
К преимуществам термоэлектрического модуля (ТЭМ) относят:
- малые размеры;
- возможность работы, как охладителей, так и нагревателей;
- обратимость процесса при смене полярности, позволяющая поддерживать точное значение температуры;
- отсутствие подвижных элементов, которые обычно изнашиваются.
Недостатки модулей:
- малый КПД (2-3%);
- необходимость создания источника, обеспечивающего температурный перепад;
- значительное потребление электроэнергии;
- высокая стоимость.
Несмотря на недостатки, ТЭМ применяются там, где большие энергозатраты не имеют значения:
- охлаждение чипов, деталей цифровых фотокамер, диодных лазеров, кварцевых генераторов, инфракрасных детекторов;
- использование каскадов ТЭМ, позволяющих добиться низкой температуры;
- создание компактных холодильников, например, для автомобилей;
- термоэлектрогенератор для зарядки мобильных устройств.
Генераторный режим элемента Пельтье
Открытие Жака-Шарля Пельтье буквально перевернуло мир, так как устройство может использоваться в качестве универсального генератора тепла и холода. Кроме этих функций, был отмечен еще один немаловажный эффект – генераторный режим. Если теплую сторону устройства нагревать, а холодную охлаждать, то на выводах возникает разница потенциалов, и при замыкании цепи начинает течь ток.
Генератор на основе элемента Пельтье можно сделать своими руками и для этого не потребуется особых навыков. Но стоит понимать, что используемый китайскими разработчиками материал не обладает идеальными характеристиками, позволяющими получать максимум энергии. Доступных термоэлектрических модулей в продаже хватит для:
- зарядки мобильных устройств;
- питания светодиодного освещения;
- изготовления автономного радиоприемника и прочих целей.
По этой теме можно найти массу видео с подробным описанием всех этапов. Поэтому если вы хотите сделать термоэлектрический модуль для получения энергии, то это вполне реально.
Первым делом необходимо заказать необходимое количество элементов Пельтье с учетом их характеристик. Устройство с мощностью 10 Вт на том же e — Bay стоит 15$. И этого вполне достаточно будет для зарядки смартфонов. Далее, необходимо обеспечить эффективное теплоотведение. Для этих целей можно сконструировать систему жидкостного охлаждения с естественной циркуляцией. А горячую сторону нагревать любым источником тепла, в том числе открытым огнем. В результате любой радиолюбитель может сделать сам великолепный термоэлектрический генератор, который можно взять с собой в поход, на рыбалку или дачу.
Один стандартный элемент-ячейка вырабатывает 5 В и 1 Вт мощности, чего вполне достаточно для небольшого освещения. Например, для изготовления фонарика с подогревом от тепла рук. В продаже имеются и готовые элементы с выходным напряжением до 12 В.
Переносная термоэлектрическая печка с генераторным режимом
Сегодня можно найти массу способов, как сделать своими руками достаточно эффективный термоэлектрический генератор на основе элемента Пельтье. Как один из них – портативная печка с топкой из старого компьютерного блока питания. К одной из сторон корпуса прикрепляется сам термоэлектрический элемент Пельтье через термопасту с радиатором внушительных размеров. Такая установка позволит получить тепло в любом удобном месте, приготовить пищу и зарядить телефон.
То, что все электронные устройства в процессе работы нагреваются, не секрет. И этот самый нагрев негативно влияет на качество работы, поэтому для охлаждения приборов в их конструкцию устанавливаются специальные элементы, которые носят имя французского изобретателя Жан-Шарля Пельтье. Устройство это миниатюрное, но именно оно отвечает за охлаждение конденсаторов. Установить элемент Пельтье своими руками не проблема, с этим справится даже новичок, главное – знать, в каком месте схемы его припаять.
Элемент Пельтье
Чип TEC и базовый тест
Перед тем, как начать фактическую конструкцию с микросхемой ТЕС, проверьте ее на исправность. Для этого просто подключите красный (+) и черный (-) провода микросхемы TEC (TEC1-12706) к лабораторному источнику питания 1,5 В постоянного тока и оставьте источник питания включенным на 10–30 секунд. После этого вы можете проверить чип TEC, используя кончик пальца или цифровой термометр, чтобы убедиться, что одна сторона чипа горячая, а другая сторона холодная. Просто отметьте горячие и холодные поверхности микросхемы TEC (например, буквами H и C), используя любую постоянную маркерную ручку.
Рис. 2: Тестирование чипа TEC
Практическое применение
Что касается практического применения, то здесь пришлось ученым провести ряд опытов, которые показали, что достигнуть увеличения теплоотвода можно одним способом – увеличить количество соединений двух разных материалов. При этом спаи материалов можно увеличивать до бесконечности. Конечно, это утрированное высказывание, но на практике количество пар, чем больше, тем лучше. Но все же основное назначение этого охлаждающего устройства – снижение температуры в микросхемах и небольших приборах.
Итак, где сейчас применяется термоэлектрический модуль Пельтье?
- В приборах ночного видения, а точнее, в матрицах, которые принимают инфракрасное излучение.
- В цифровых фотоаппаратах, а точнее, в приборах зарядной связи (ПЗС), а еще точнее, в их микросхемах. Все дело в том, что эти микросхемы требуют глубокого охлаждения, чтобы увеличилась эффективность регистрации картинки.
- В телескопах, где устройства Пельтье охлаждают детекторы.
- В системах точного времени для снижения температуры кварцевых электрогенераторов.
Эффект Пельтье сегодня применяется для охлаждения микропроцессоров
И это только малый список, который с недавних пор расширился за счет бытовых приборов, компьютерной техники и автомобилей (кондиционеры, охладители воды и прочее). Хотелось бы отметить высокопроизводительные микропроцессоры, в которых для снижения температуры устанавливаются высокоскоростные элементы Пельтье. И если раньше для охлаждения использовались только вентиляторы, то дополнительная установка модуля решила проблему эффективности и снижения шума.
По поводу этого возникает еще один немаловажный вопрос, будет ли проведена замена традиционных систем охлаждения в бытовых холодильниках модулями Пельтье? Сегодня это невозможно за счет низкого КПД устройства. Да и себестоимость мощных модулей пока очень высока. Но кто знает, что ждет нас в будущем. Может быть, через лет 5-10 эффект Пельтье будет использован и в бытовых холодильниках. Тем более ученые проводят сегодня опыты с кластратами – это так называемые твердотельные растворы, сильно похожие по строению и свойствам на гидраты. Именно с их помощью можно будет снизить цену охладительному модулю.
Холодильник на элементах пельтье своими руками
Чтобы собрать холодильный агрегат вам понадобятся достаточное количество электрических проводников и специальные инструменты (рисунок 3).
Холодильник на пельтье своими руками требует особого подхода к сборке и используемым материалам:
- Основой для платы должна служить прочная керамика;
- Для максимального температурного перепада надо подготовить не менее 20 связей;
- Правильные расчеты — залог увеличения коэффициента полезного действия на 70%;
- Наибольшую мощность используемому оборудованию даст фреон;
- Самодельный модуль устанавливается возле его испарителя, рядом с мотором;
- Монтаж производится стандартным набором инструментом с применением прокладок;
- Они необходимы для изолирования рабочей модели от пускового реле;
- Изоляция понадобится и для самой проводки, перед ее подключением к компрессору;
- Чтобы избежать короткого замыкания, сила предельного напряжения звонится тестером.
Подобную схему можно применить для автомобильного охладителя. Автохолодильник пельтье своими руками собирается на керамической плате толщиной не менее, чем 1 миллиметр. В нем используются медные немодульные связи с пропускной способностью в 4А и применяются проводники с маркировкой «ПР20», подходящие для контактов разного типа. Для соединения устройства с конденсатором используют обычный паяльник.
Принцип работы устройства
Элемент Пельтье функционирует благодаря взаимодействию одного токопроводящего материала с другим, отличным по энергетическому уровню электронов в проводящей области. Прохождение по такому каналу связи наделяет электрон большим энергетическим запасом, что после позволяет ему перейти в проводящую область с более высоким энергетическим уровнем. Поглощение этой энергии приводит к понижению температуры в точке соединения проводников. Когда же происходит обратное движение тока, контакт нагревает, что находит выражение в виде стандартного теплового эффекта.
При условии, что по одной стороне подключён теплоотвод, в момент эксплуатации радиаторной системы вторая сторона даёт сильное охлаждения (до десятков градусов ниже температурного уровня окружающей среды). Между величиной тока и степенью охлаждения наблюдается прямая зависимость. При смене полярности также меняются положениями стороны нагрева и охлаждения.
Когда элемент Пельтье взаимодействует с деталями, выполненными из металла, то оказываемый им эффект уменьшается во много раз, и температурный контраст становится мало заметен под действием разнообразных явлений связанных с теплопроводностью цепи. По этой причине практическое применение подразумевает использование сразу двух полупроводников.
Сочетать термопары можно в любых количествах в пределах сотни, что делает возможным создание элемента Пельтье любой холодильной мощности.
Элемент Пельтье в руках домашнего мастера
Нужно сразу оговориться, самостоятельное изготавливание термоэлектрического элемента занятие по меньшей мере бессмысленное и никому не нужное. Если только изготавливающий не является учеником седьмого класса и не закрепляет таким образом, полученные на уроках физики, знания.
Гораздо проще купить новый термоэлектрический элемент
в соответствующем магазине. Благо стоят они недорого и недостатка в выборе конкретной модели не наблюдается. А кроме того, что в них нечему ломаться или изнашиваться, любой термоэлемент, снятый со старого компьютера или автомобильного кондиционера, не будет отличаться по своим техническим характеристикам от нового.
Наибольшей популярностью пользуется модель термоэлемента: TEC1-12706. Размеры этого устройства 40 на 40 миллиметров. Состоит он из 127 термопар, соединённых между собою последовательно. Рассчитан на ток в 5 А, при напряжении цепи 12 В. Стоит такой элемент в среднем от 200 до 300 рублей. Но можно найти и за сто, или, вообще, за так, если снять со старого компьютера или какого другого ненужного устройства.
Изготовить с помощью такого элемента можно, как минимум два очень интересных и полезных в хозяйстве устройства.
Как сделать холодильник своими руками
Производство портативных холодильников, в частности, для машин целиком основано на эффекте Пельтье. Для изготовления подобного устройства в домашних условиях понадобиться:
- Термоэлемент марки TEC1-12706. Стоит 200 рублей в ближайшем магазине (специализированном).
- Радиатор и вентилятор. Снимаются с отслужившего своё старого компьютера.
- Контейнер. Любая ненужная ёмкость из пластика, металла или дерева. Снаружи и изнутри такая ёмкость оклеивается теплосберегающими пластинами из пенопласта или пенополистирола.
Термоэлектрический модуль встраивается в крышку контейнера. В этом случае поступление холода будет происходит сверху вниз, что приведёт к равномерному охлаждению ёмкости. Изнутри контейнера, в его крышку с помощью термопасты и крепёжных болтов прикрепляют радиатор.
Для того чтобы увеличить мощность будущего холодильного устройства, можно увеличить количество термоэлементов, до двух-трёх и более. В этом случае модули приклеиваются друг к другу, с соблюдением полярности. Иными словами, горячая сторона нижележащего элемента контактирует с холодной стороной вышележащего.
Снаружи на крышку крепится ещё один радиатор вместе с компьютерным кулером. В месте крепежа радиаторов должна быть хорошая термоизоляция между холодной — внутренней и горячей — внешней сторонами. Необходимо очень аккуратно стягивать верхний и нижний радиаторы крепёжными болтами, чтобы не треснули керамические пластины, располагающихся между ними термоэлементов.
Электричество подключается с помощью блока питания, который можно взять от старого компьютера
.
Портативный термоэлектрогенератор
Такая мини-электростанция может очень выручить туриста или охотника, когда в лесу сядут батареи всех электронных гаджетов. Очень романтично в этой ситуации взять несколько сухих щепок и шишек, развести небольшой костерок и с его помощью зарядить разряженные аккумуляторы, а заодно и поесть приготовить. Именно это позволяет сделать портативный термогенератор, построенный на термоэлементе.
Для постройки этого чудо-девайса необходимо наличие портативной походной печки, работающей на любом виде топлива. В крайнем случае сгодится даже небольшая свечка или таблетка сухого спирта.
В печке разводят огонь, а снаружи с помощью термопасты к ней крепится термоэлектрический модуль. Посредством проводов он подключается к преобразователю напряжения.
Величина получаемого тока напрямую будет зависеть от разницы температур между холодной и горячей сторонами термоэлемента. Для эффективной работы необходима разница между холодной и горячей поверхностью как минимум в 100 градусов.
В этом случае необходимо понимать, что максимальная температура ограничена температурой плавления припоя, с помощью которого изготовлен сам модуль. Поэтому для подобных устройств используют специальные термомодули, которые изготавливают с помощью специального тугоплавкого припоя. В обычных модулях температура плавления припоя составляет 150 градусов. В модулях тугоплавких, припой начинает плавиться при температуре 300 градусов.
Термопреобразователь (модуль Пельтье) работает по принципу, обратному действию термопары, — появлению разности температур, когда протекает электрический ток.
Немного истории
Жан-Шарль Пельтье был часовщиком. Жил он в девятнадцатом веке, когда электротехника и физика были на подъеме. Все, кто хотя бы немного понимал, как работают физические законы, старались в домашних условиях делать опыты. Пельтье не стал исключением. В 1834 году он решил провести один опыт, поместив каплю воды между двумя электродами: один был изготовлен из сурьмы, второй из висмута. После чего через электроды пропустил электрический ток.
Каково его было изумления, когда вода превратилась в лед. Ведь то, что под действием электрического тока любые материалы нагревались, было известно. Но чтобы произошел обратный эффект, это была новость. Французский часовщик так и не понял, что изобрел что-то новое, которое оказалось на границе двух областей науки – электричества и термодинамики. В то время для него произошло просто волшебство.
Правда, проблемы охлаждения в те времена мало кого интересовали, поэтому эффект Пельтье так и остался невостребованным. И только через два века, когда в промышленности и быту стали использовать электронные устройства, для которых требовались миниатюрные приборы охлаждения, о Пельтье и его эффекте вспомнили.
Заключение
Эффект Пельтье нашел применение в настоящее время в создании небольших холодильников, необходимых современной технике. Обратимость процесса дает возможность изготовить микроэлектростанции, востребованные для зарядки аккумуляторов электронных устройств.
В отличие от других средств альтернативного получения электроэнергии, они могут работать во время движения, если установить каталитический нагреватель.
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).
В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями , так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…
Краткая теория
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.
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.
Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.
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.
