Jak funguje Peltierův chladič?

Autor: Alexander Najdenov, aleksandr.najdenov.1998@mail.ru
Zveřejněno 30.12.2013
Vytvořeno pomocí KotoRed.

úvod

Jak vím, mnoho koček, které si rády hrají s počítači, přemýšlelo o tom, jak počítač chladit Peltierovými prvky. Ne všichni si ale mysleli, že tyto prvky lze použít jako zdroj napětí s dobrými vlastnostmi. No a po nějaké době se v mé hlavě zrodila možnost využití Peltierových prvků jako alternativního zdroje elektřiny. Vzhledem k tomu, že já a moje kočka milujeme procházky v přírodě a také milujeme vychytávky, které nás doprovázejí, pak s pomocí tohoto „Termoelektrického našeptávače“ (tak jsem nazval tuto jednotku) můžete nabíjet jakékoli zařízení s nízkou spotřebou energie – a telefon nebo fotoaparát.

Teorie

Princip činnosti Peltierova prvku je založen na Peltierově jevu – vzniku teplotního rozdílu při protékání elektrického proudu. Činnost Peltierových prvků je založena na kontaktu dvou vodivých materiálů s různou energetickou hladinou elektronů ve vodivém pásmu. Když proud protéká kontaktem takových materiálů, musí elektron získat energii, aby se mohl přesunout do vyššího energetického vodivostního pásma jiného polovodiče. Když je tato energie absorbována, kontaktní bod mezi polovodiči se ochladí. Když proud teče opačným směrem, kontaktní místo mezi polovodiči se kromě obvyklého tepelného efektu zahřívá. Peltierovy články mají takovou vlastnost, že pokud jednu stranu ohřejete a druhou ochladíte, začne článek vyrábět elektřinu.

Praxe

Nyní vám řeknu, jak můžete použít prvek jako zdroj elektrické energie. Omlouvám se – nebudou zde žádné fotografie procesu, protože fotoaparát je zakrytý měděným umyvadlem, ale řeknu vám to podrobně, jak nejlépe dovedu. Pro návrh budeme potřebovat samotné Peltierovy prvky, teplovodivou pastu, radiátor (200cm^2), sklolaminát nebo azbestovou tkaninu a dózu s hladkými stěnami. Takže vezmeme sklolaminát, nakrájíme ho na kusy, aby odpovídaly velikosti prvků a důkladně je nasytily teplovodivou pastou. To je nezbytné pro lepší přenos tepla, protože termočlánky selhávají při 250 stupních. Poté tuto hmotu naneseme na zavařovací sklenici. Sklenice musí být připravena, to znamená, že se do ní musí zespodu vyvrtat otvory pro přístup vzduchu. Jakmile položíme skelnou tkaninu napuštěnou teplovodivou pastou, umístíme na tuto plochu termoelektrické moduly (kolik? a to je dle vašich možností). Moduly musí být připraveny, to znamená, že vodiče jsou připájeny a vyvedeny v tepelně odolné izolaci. Poté všechny prvky potřeme teplovodivou pastou, nešetříme ji, protože pro větší účinnost instalace je nutný dobrý přenos tepla. Poté hliníkový radiátor přitlačíme na teplovodivou pastu a samozřejmě přišroubujeme. Vlastně je to připravené. Můžete zkontrolovat funkčnost. Kočičí poznámka. Používejte běžnou teplovodivou pastu bez přidání kovu! Pokovená pasta je elektricky vodivá a lze ji použít ke zkratování polovodičových struktur Pelteho prvku.

První test

Přihodíme trochu dříví a připojíme multimetr.

Svítíme a sledujeme hodnoty. Hodnoty byly zaznamenány 3 minuty po startu.

7 minut po zapálení.

Zde je aktuální síla na 8 minut.

Po 15 minutách hoření je jasné, že napětí s nahřátím radiátoru kleslo, ale stále stíhá chladit studenou stranu prvku.
Testy byly prováděny při teplotě -7 stupňů.

Výkon zařízení: očekávané 3 watty, výsledná hodnota 2.5 wattu.

Pojďme si to tedy shrnout

Návrh byl vytvořen ve spěchu, ale fungoval, a přitom stále dodával požadovanou elektřinu. Existuje jedna věc: napětí jednoho prvku nestačí k nabití baterií nad 3 volty, k tomu je třeba sestavit zvyšovací DC-DC měnič, který poskytne 5 voltů pro nabíjení gadgetu.

Celkem

Stojí 200 rublů za termoelektrický modul ze sovětské autochladničky.

Závěr

Zařízení bylo představeno na výstavě o alternativní energii v Usť-Kamenogorsku a obsadilo 1. místo. Protože byla prokázána možnost využití tepla ohně nejen k vaření a ohřívání, ale také k výrobě elektřiny.

Akvárium je malý paralelní svět, do kterého můžete pravidelně vstupovat, když se stávající vesmír stane nepříjemným. Udržet normální mikroklima v akváriu však není nejjednodušší úkol a vyžaduje použití specializovaného vybavení. Samozřejmě se může zdát, že nyní má trh vše, co je k tomu potřebné, ale jak se v praxi ukázalo, není to tak úplně pravda.

Jedním z problémů chovu akvarijních ryb je nutnost chladit vodu v létě, kdy teplota vzduchu přestává klesat pod 25 °C. Například v Oděse toto období začíná v polovině července a může trvat až dva měsíce. Pokud v místnosti není klimatizace, pak pro mnoho ryb končí nástup letošní sezóny tím nejsmutnějším způsobem.

Snížit teplotu vody je mnohem obtížnější než ji zvýšit. Na trhu je obrovský výběr levných a spolehlivých ohřívačů akvárií, včetně těch s vestavěnými termostaty, ale náklady na chladiče (chillery) se ve většině případů ukazují jako přemrštěné. A většinou jsou určeny pro chlazení velkých objemů vody, takže jejich pořízení např. do malého 10litrového akvária nedává moc smysl. Existuje několik dalších návrhů chladičů, které lze vyrobit doma, ale jejich replikace je také poměrně složitá.

Tento článek popisuje jednoduchý a levný chladič do akvária, který si můžete sami sestavit za pár hodin. Většinu dílů pro jeho výrobu najdou v „popelnicích“ lidé, kteří opravují počítače nebo se zajímají o elektroniku. V nejlepším případě, abyste replikovali tento design, budete muset zakoupit pouze jeden Peltierův prvek. A i když se tento domácí produkt může ukázat jako příliš primitivní a nepříliš reprezentativní, lze jej použít k ochlazení vody 20litrového akvária o téměř 5 ° C, což je docela dost k záchraně obyvatel akvária v letní horko.

Metody snižování teploty vody v akváriu

Existují dva hlavní způsoby chlazení akvarijní vody: přidání studených předmětů, jako jsou ledové nádoby, a použití tepelných čerpadel. Přidávání ledu nebo studené vody vyžaduje neustálou přítomnost osoby v blízkosti akvária a lednice, což není vždy možné, zejména pro lidi s vytíženým pracovním programem, proto je nejlepší použít k tomu automatizovaná zařízení.

Dnes existují dva hlavní typy tepelných čerpadel: založené na kompresorech a založené na Peltierových prvcích. Kompresorová tepelná čerpadla jsou vysoce účinná a mohou vytvořit poměrně velký teplotní rozdíl v provozních okruzích. Z tohoto důvodu se aktivně používají v domácích a průmyslových chladicích jednotkách, stejně jako v topných a klimatizačních systémech. Mají však poměrně složitý design, a abyste si je mohli vyrobit doma, potřebujete speciální vybavení, znalosti a praktické dovednosti, které většinou chybí u většiny specialistů v oboru elektroniky.

Účinnost Peltierových prvků je nižší než u kompresorových systémů. Jsou však kompaktní a mnohem jednodušší na ovládání než kompresory. Z hlediska elektroniky je Peltierův prvek relativně jednoduchý rádiový prvek, který ke své činnosti nevyžaduje složité spouštěcí algoritmy ani vysoce stabilní proudy. Kromě toho lze Peltierovy prvky zakoupit téměř u všech dodavatelů elektronických součástek a mají relativně nízkou cenu.

Vlastnosti použití Peltierových prvků

Princip činnosti Peltierových prvků je široce popsán v technické literatuře, takže nemá smysl se touto problematikou podrobně zabývat. Dnes nejoblíbenější a cenově dostupné na trhu jsou prvky TEC1 Peltier o rozměrech 40 × 40 × 3.8 mm. Chladič používal prvek TEC1-12706 (obrázek 1), obsahující 127 sériově zapojených polovodičových prvků schopných pracovat při proudech až 6 A.

Obrázek 1.	Vzhled Peltierova prvku TEC1 12706.

Články TEC1 se skládají ze dvou keramických desek, obvykle bílých, mezi nimiž jsou umístěny aktivní polovodiče. Mezera mezi deskami je vyplněna utěsněnou směsí. Elektrická energie je dodávána do polovodičových součástek pomocí dvou vodičů, obvykle červeného a černého. Když připojíte červený vodič ke kladné svorce zdroje energie a černý vodič k záporné svorce, strana se značkami se obvykle ochladí, zatímco protější strana bez značek se zahřívá. Pokud změníte polaritu napětí, dojde k přenosu tepla (energie) v opačném směru.

Životnost Peltierových prvků do značné míry závisí na jejich provozním režimu. Nejlepší je aplikovat na ně konstantní napětí s koeficientem zvlnění nejvýše 5%. Během provozu Peltierova článku je nejlepší stabilizovat úroveň spotřeby energie a také řídit teplotu plotýnky, která by neměla překročit 50 °C. Napájení Peltierových prvků pulzním napětím například pomocí PWM, stejně jako časté zapínání a vypínání, se nedoporučuje – materiály těchto prvků degradují při každé změně teploty, takže cyklické provozní režimy mohou tato zařízení rychle zničit.

Návrh a montáž chladiče

Rozměry prvku TEC1 12706 jsou 40 × 40 mm, což je srovnatelné s velikostí počítačových procesorů. Proto je nejvýhodnější použít jako výměníky tepla hotové radiátory ze starých počítačů – na nich jsou instalovány prvky TEC1 12706 bez jakékoli úpravy (obrázek 2). Kromě toho můžete téměř vždy najít hotovou sadu chladiče + ventilátoru, která pravděpodobně nebude nikdy použita k zamýšlenému účelu.

Obrázek 2.	Prvky chladiče akvária.

Rozměry radiátoru určeného pro chlazení vody by měly být co největší. V tomto případě je vhodné zvolit radiátor s dlouhými žebry, aby nedošlo ke ztrátě kontaktu s vodou při jejím případném odpařování. Vzhledem k tomu, že voda má poměrně vysokou tepelnou vodivost, není pro tento radiátor potřeba ventilátor.

Kvůli nízké tepelné vodivosti vzduchu musí být radiátor na horké straně Peltierova článku buď velký, nebo ofukovaný ventilátorem. Pokud používáte radiátory určené k chlazení procesorů, pak je nutný ventilátor, už jen proto, že vzduchové radiátory navržené pro provoz s nuceným chlazením nefungují dobře s přirozeným prouděním vzduchu. Bez ventilátoru teplota horkého radiátoru velmi rychle dosáhne 50 °C a proud odebíraný Peltierovým článkem katastrofálně klesne. V tomto režimu pokles teploty vody nepřekročí 1 °C (testováno).

Jediným prvkem, který si budete muset vyrobit sami, je základna určená k sestavení celé konstrukce. Základna musí být vyrobena z materiálu s nízkou tepelnou vodivostí, protože je v kontaktu s horkými i studenými radiátory, a pokud je vyrobena například z kovu, dojde k tepelnému zkratu a účinnost chladiče sníží na nulu. Geometrické rozměry základny do značné míry závisí na velikosti a způsobu montáže radiátorů. Je vhodné ho udělat co největší, protože zároveň slouží jako tepelný štít, který zabraňuje mísení studeného vzduchu u hladiny vody s horkým vzduchem vháněným z chladiče.

Pro zhotovení základny je nejlepší použít materiál o stejné tloušťce jako Peltierův prvek – přibližně 4 mm. To umožní, aby byly radiátory dobře přitlačeny k sobě, aniž by na samotný prvek vznikaly výrazné mechanické síly. V tomto případě se nejdostupnějším materiálem pro základnu ukázala být třívrstvá 4 mm překližka, i když lze použít i jiné plošné materiály vhodné tloušťky, například akryl nebo polykarbonát.

Pro instalaci Peltierova prvku se ve středu základny pomocí skládačky vyřízne obdélníkový otvor o rozměrech 50 × 50 mm (obrázek 3). V případě potřeby jsou na jedné straně tohoto čtverce provedeny dva řezy pro dráty. Tvar a rozměry zbývajících otvorů závisí na stávajících radiátorech, proto jsou na výkresu uvedena pouze obecná čísla – při použití jiných radiátorů budou otvory odlišné.

Způsob kombinace všech konstrukčních prvků opět závisí na stávajících radiátorech. V tomto případě byl horký radiátor původně navržen pro instalaci pomocí pružiny. Tato pružina sloužila ke spojení celé konstrukce do jediného celku. K tomu jsme museli mírně změnit jeho tvar ohnutím jednoho konce kleštěmi a vyvrtat dva otvory do studeného radiátoru a vyklepat je (obrázek 4). Poté, po vytvoření potřebných štěrbin v základně, lze celou konstrukci sestavit do jednoho celku pomocí dvou šroubů M3 nebo M4. Pro připojení radiátorů s nízkou tepelnou vodivostí, například z plastu nebo nylonu, je lepší použít šrouby, protože část tepelného toku je uzavřena kovem. Před montáží je nutné obě strany Peltierova článku namazat teplovodivou pastou, např. KPT-8 pro lepší tepelný kontakt s radiátory.

K instalaci chladiče do akvária byly použity čtyři měkké kovové pásy (obrázek 5). V tomto případě byly vyrobeny z přímých závěsů na regálový profil zbylý po renovaci, používaný při montáži sádrokartonových stěn. Kov proužků by měl být měkký, aby se poloha chladiče v akváriu dala snadno upravit. Lišty můžete k podkladu připojovat libovolným způsobem, například pomocí šroubů nebo šroubů M3 či M4. Délka proužků závisí na velikosti akvária a měla by být dostatečná, aby chladič náhodně nespadl do vody.

Poslední fází montáže je instalace svorkovnice a elektrické připojení všech prvků chladiče do jediné jednotky (obrázek 6). Jelikož Peltierův článek i ventilátor vyžadují konstantní napětí 12 V, neměly by v této fázi nastat žádné problémy. Pokud má ventilátor zabudovaný snímač otáček, pak je také lepší připojit jeho výstup na samostatnou svorku, i když ta je zcela volitelná. Svorkovnici můžete k základně upevnit libovolným způsobem, například pomocí šroubů nebo šroubů M3/M4.

Při použití prvku TEC1 12706 je pro napájení chladiče nutný zdroj konstantního napětí s maximálním výstupním proudem minimálně 5 A. K tomu lze použít jakákoliv univerzální usměrňovací zařízení, například pro napájení LED pásků (Obrázek 7). Napájecí zdroj můžete k chladiči připojit pomocí libovolného vodiče požadované délky, určeného pro provoz s trvalým proudem minimálně 3 A, tedy s průřezem minimálně 0.75 mm2.

Obrázek 7.	Napájení 12V, 5A.

Poté je chladič připraven k provozu. V akváriu je vhodné instalovat jej do středu tak, aby spodní radiátor měl dobrý kontakt s vodou, zatímco základna by měla být nad hladinou vody (obrázek 8). Nebylo by od věci připomenout, že napájecí zdroj musí být instalován tak, aby byla vyloučena i sebemenší možnost dostat se do vody nebo se do ní dostat voda a systém lze nakonec připojit k elektrické síti. instalační práce byly dokončeny.

Výsledky testu chladiče

Chladič byl testován v testovacím akváriu o objemu 20 litrů. Měření teploty bylo provedeno pomocí čtyř akvarijních teploměrů (obrázek 9), z nichž tři byly namontovány na přední stěně a měřily teplotu v horní, střední a spodní části akvária (obrázek 8). Čtvrtý teploměr byl umístěn v blízkosti akvária a měřil teplotu vzduchu v místnosti. Při nákupu teploměrů byla zvláštní pozornost věnována shodě výsledků měření, která zmátla prodejce na tržnici Odessa Starokonny. Nakonec se podařilo najít čtyři zařízení, která dávala stejné výsledky v teplotním rozsahu 10. 25 °C.

Obrázek 9.	Akvarijní teploměr.

Akvárium bylo instalováno na rovném dřevěném podstavci v suché nevytápěné místnosti bez stálého proudění vzduchu. Výkon odebíraný ze sítě byl monitorován elektroměrem Intertek Power Meter PP-3460, napětí a proud Peltierova prvku bylo monitorováno stolním voltampérmetrem DC0-100V/10A.

V okamžiku zapnutí, kdy se teplota chladiče nelišila od okolní teploty, byl proud odebíraný Peltierovým článkem roven 3.1 A při výstupním napětí zdroje rovném 12 V. Poté proud dostatečně rychle – během několika minut – klesl na hodnotu 2.85 A. V ustáleném stavu tedy Peltierův článek spotřebovával výkon rovný 34 W. Elektroměr připojený k síti ukázal spotřebu 41 W, což umožnilo zjistit účinnost zdroje – přibližně 83 %.

Na začátku experimentu byla teplota vody a vzduchu přibližně stejná – předtím byla místnost na několik dní uzavřena, což bránilo vstupu vzduchu s jinou teplotou. Před začátkem experimentu bylo navíc několik dní zataženo počasí, což výrazně omezilo denní vytápění místnosti slunečním zářením pronikajícím oknem.

Po dni nepřetržitého provozu byl rozdíl teplot mezi vodou a vzduchem 4.3 °C. Přitom v horní části akvária byla teplota vody o 1 °C nižší než ve spodní a střední části. Nakonec byl experiment zastaven po 24 hodinách nepřetržitého provozu chladiče s údaji teploměru: vzduch – 21 °C, horní část akvária – 16 °C, střed – 17 °C, dno – 17 °C.

Výsledky měření tepelného odporu akvária ukázaly, že se přibližně rovná 0.263 °C/W. Při rozdílu teplot 4.3 °C (definováno jako průměrná teplota vody) je výkon tepelného toku procházejícího plochami akvária 4.3/0.263 = 16.35 W, což nám umožňuje určit účinnost chladiče na 16.35 /34 = 48 %. Celková účinnost systému byla 0.48∙0.83 = 40 %.

Závěry

Toto řešení se ukázalo být zdaleka ne nejúčinnější – více než polovina vynaložené energie je promarněna. Zatím však nebyly podniknuty žádné kroky k optimalizaci tohoto chladiče. Celý tento projekt od začátku do konce byl vymyšlen a realizován během několika hodin z toho, co bylo po ruce.

Nakonec loni splnilo svou funkci – všichni obyvatelé mého akvária bezpečně přečkali letní vedra, protože když byla teplota vzduchu v místnosti 29. 30 °C, teplota vody v něm nevystoupila nad 25 °C. . A s velkou pravděpodobností přežijí i další horkou sezónu, jelikož se tento systém zatím nechystám rozebírat.

A o výsledcích měření bych mohl stydlivě mlčet a omezovat se na prostý fakt – „Funguje to!“, ale to by bylo vůči čtenářům nečestné. Nechť se proto tento projekt stane výchozím bodem pro následné experimenty a třeba některý ze čtenářů jednou vytvoří lepší systém, nebo naopak dokáže, že existuje určitá hranice, kterou fyzikální zákony nepřekonají.