У цій статті модель автомобільного холодильника, який був виготовлений автором каналу Alex Shev своїми руками, незважаючи на навороченість отриманого виробу, лише за три дні. Працює пристрій на елементах Пельтьє. Нижче наприкінці публікації ще одна модель, що працює на тій самій основі.
Було використано ряд матеріалів та деталей.

Робота над виробом

Нарізаємо пінопласт за допомогою спіралі на 1 кіловат та джерела живлення на 5 вольт. Спіраль була закріплена між ніжками столу. Склеював пінопласт монтажною піною. Вирізаємо пази в кришці, щоб вона не крутилася.

Передбачалося обклеїти лоток пінопластом, але простіше було зробити коробку з нього, а лоток використовуватиме посилення міцності автомобільного холодильника. Розміри вийшло 38 X 30 сантиметрів, глибина 28. Місткість 3 пляшки 1,5 літра в ряд. Можна два таких ряди, або 2 на 2 літри поряд.

У двох радіаторах просвердлюємо отвори під термістори для контролю температури. На холодному також для кріплення. Вирізаємо отвір у кришці автомобільного холодильника і топимо теплообмінник на 1 -1,5 сантиметра. Далі за допомогою термопровідного клею скріплюємо два елементи Пельтьє з радіаторами. На одному міститься два елементи пельтьє. Також утеплюються зазор між пінопластом та радіатором. У наведеному прикладі використаний бестизол.

Збираємо разом, вкручуємо вентилятори на теплообмінник, виконуємо монтаж мікроконтролера, ЛСД монітора, реле. Поки що тільки навісним методом.

Перегляньте також круті моделі з безкоштовною доставкою в цьому китайському магазині . Там же знайдете елементи Пельтьє.

Пишемо програму для мікроконтролера. Автор цього відео уроку використовував вставку відключення елементів Пельтьє за температури гарячого радіатора більше 55 градусів. А також при температурі в холодильнику менше 5 градусів. Вимикається лише самі елементи. Вентилятор та мікроконтролер продовжують працювати.

Температура вимірюється АЦП перетворювачем: на гарячому радіаторі, на холодному, у холодильнику. Відображається на дисплеї.

Живлення елементів подається через додаткове релетільки при увімкненому запалюванні (заведеному двигуні), щоб не посадити акумулятор.

Вдома під час перевірки температура в автомобільному холодильнику впала до 12 градусів за 1 годину і так трималася. Температура гарячого радіатора зупинилася на 49 градусів. У машині при охолодженні 4 пляшок Мохіто та використанні акумуляторів холоду Пельтьє відключалися на першій годині за 55 градусів гарячого теплообмінника. А наступний час відключалися при температурі всередині менше 5 градусів. Інтервал роботи: 4 хвилини працює, 1,5 хвилини відключення.

Висновки:

Автохолодильник-термобокс, зроблений своїми руками

Вітаю вас, шановні читачі! Так як влітку я з родиною багато подорожую і регулярно вибираюсь на шашлики, то ребром постало питання зберігання продуктів. Як у далеких поїздках, так і на один день.
Стало ясно, що без холодильника чи термосумки не обійтись. Почалося ознайомлення із ринком. Найпростіше – це термосумки. Термопакети розглядати не будемо. М'які, займають мало місця, легкі, найдешевші. Мінус для мене-всередині тканина та шви, незручно прати. Середня ціна 500-1000 грн. Термоконтейнер. Жорсткий пластиковий корпус зручно мити. Мінуси - займають місце незалежно від того, є продукти всередині чи ні. Середня ціна від 2500 грн.
І в сумки, і в контейнери потрібні акумулятори холоду. Холодильники з елементами Пельтьє є тими самими термоконтейнерами, але з вмонтованою в кришку системою охолодження. Залежно від потужності елементів може охолоджувати до 20 ° C від зовнішньої температури. Живлення від електричної мережі автомобіля. Мінус – якщо не обладнаний системою вимкнення, може посадити акумулятор машини. Середня ціна від 3500 грн. Компресорні автомобільні холодильники.Найсерйозніші з усіх. Призначені для тривалих мандрівок. Можуть працювати як від електрики, так і газу. Чудово справляються зі своїми обов'язками. Мінус – стоять, як два звичайні домашні холодильники. *** Подивився я на все це і вирішив для того, щоб зрозуміти, що мені треба зробити холодильник своїми руками.

Ну, точніше, термобокс. Для мене головне, щоби конденсат ніде не капав і продукти в дорозі не давилися. Взяв лист піноплекса (утеплювач такий помаранчевий). Розкроїв. Зібрав за допомогою саморізів та герметика. Жодних там куточків, ізолона зверху, оббивки та фарбування. Все як є". Навіщо ускладнювати?

Фото автора каналу. На стиках стін та на даху зроблені вирізи, для зменшення тепловтрат. Провели ходові випробування під навантаженням. З урахуванням того, що кришка суцільна, тобто щоразу, коли ти її відкриваєш, у контейнер потрапляє тепле повітря, бокс показав себе чудово. Холод тримається не менше, ніж півтори доби (на одній закладці акумуляторів холоду), з регулярними відкриваннями. Кавуни, вода, охолоджені продукти, м'ясо – все почувається чудово. Загалом, я поки що залишив все так, як є, для моїх цілей чудово підходить. І не шкода, якщо що. Ніщо так не завжди, як тимчасове. А ви вибирайте, що найбільше підходить для вас.

Холодильник з пінопласту та модулів Пельтьє

Мова в сьогоднішній статті піде, не про перетворення пакувального пінопласту на клей за допомогою розчинення в ацетоні. Сьогодні поговоримо про саморобку трохи складнішою, але дуже корисною в господарстві, гаражі або вдома. Ще зі шкільних часів ми знаємо про елемент Пельтьє, який при подачі на нього деякої напруги виділяє з одного боку тепло, а з іншого холод.
Той самий елемент, на 75 Ватт. Отже, робитимемо міні холодильник, можна назвати його настільним. І, для початку, візьмемо тонкий пакувальний пінопласт, і за допомогою двостороннього скотчузберемо з нього коробку з дверцятами. Розмір коробки беремо орієнтовно як 5-літровий сулій від води.
Коробка з пінопласту. Далі, збираємо головну деталь. До холодного боку елемента на термопасту приклеюємо невеликий алюмінієвий радіатор від електроніки. На гарячу сторону приклеюємо той самий склад радіатор від процесора з вентилятором.
Прорізавши отвір в задній стінці коробки, вставляємо всередину холодний радіатор і приклеюємо весь вузол до задньої стінки.
Задня стінкахолодильника.З'єднуємо паралельно кінці елемента та вентилятора, подаємо 12 Вольт. Ставимо пару банок пінного у наш холодильник. За годину вживаємо напій температурою 15 градусів.

Все що потрібно знати про автохолодильники Рибаку та Автотуристу

Під час боротьби за екологічність та гідне існування увага звертається на найдрібніші деталі. Втомилися від постійного шуму кулера в процесорі – пам'ятайте, пристрій вимагає охолодження, інакше BIOS просто вирубає системний блок разом із операційною системою. А в спеку хочеться спокою та тиші. Рішення знайдено. Насамперед говорили, що холодильники не виключно компресорами живі, створені альтернативні моделі. Подумаємо, можливо, вдасться зібрати холодильник власноруч.

Передісторія холодильників, або Посібник для винахідника

Згадували в оглядах про адсорбційні холодильники, що працюють на блакитному паливі. Газ, згоряючи, змушує холодоагент циркулювати та охолоджувати відсіки. Безумовною перевагою конструкції вважається безшумність. Вдається почути легке шипіння від горіння палива, перетікання рідини трубками. Але рішення далеко не єдине. Писали, що дорогі автомобільні холодильники працюють за іншим принципом на елементах Пельтьє.

У 1834 встановлено, що з пропусканні постійного струму через провідники і напівпровідники виділяється чи поглинається тепло. Ефект не списувався на закон Джоуля-Ленца: у разі жар виділявся, але охолодження залишалося недосяжним. Наукового пояснення ніхто не дав, але стало відомо, що при пропусканні струму в одному напрямку тепло поглинається, в іншому виділяється!

Відомий випадок, коли студент звітував перед викладачем щодо цифрових технологій, комп'ютери ще не набули сьогоднішньої сили. Процесори Пентіум II тільки-но з'явилися на ринку РФ, хоча в США, безумовно, вже зустрічалися і четверті. Справа зводилася до харчування мозку ЕОМ, до бажання постійно знизити вольтаж.

Зауважили, що процесор споживає 75 Вт. Одночасно напруга живлення залишалося в районі 3 В. Виходить, що маленький кристал споживав струм… 25 А. Будь-який акумулятор при зарядці не здатний на таке. Викладач висловився, але виявився не зовсім правим.

При зазначеній малій напрузі процесор насправді споживає гігантський струм, частина потужності йде на корисні потреби, неминуче відбувається виділення тепла в довкілля. І відчутного! Без кулера процесор може дійти до точки кипіння, грівся б далі, але системи захисту вимикають живлення раніше. Виходить, процесор витрачає значну потужність. Нещодавно на ринку з'явилися елементи Пельтьє, покликані охолоджувати мозок, що розбушувався. Якийсь користувач помітив, що процесор охолоне… до мінус 10 градусів Цельсія. Вражає?

Не можна назвати елементи Пельтьє дешевими. Як на їх основі побудувати саморобний холодильник: поставити паралельно всередині термоізольованої ємності, де температура почне падати. Але потужність морозива холодильників не вимірюється у ватах, обчислюється за кількістю (у кілограмах) продукції, температуру якої можна знизити до заданої. Не знаємо, що мається на увазі під твердженням, що потужність елемента Пельтьє складає 77 Вт. За ціни 300 рублів за штуку варто спробувати розрахувати вартість саморобного холодильника, співвіднісши зазначені параметри. Ми пропонуємо інший шлях.

Пам'ятайте, в оглядах наводили методику визначення потрібної потужності нагріву приміщення, а тепер її використовуємо у зворотній послідовності. Кроки експерименту:

1. Знадобиться звичайний градусник. Краще простий вуличний. Градусник помістимо у наш саморобний холодильник.
2. Робимо корпус. У холодильниках застосовується для теплоізоляції пінополіуретан. Купуйте балончик у магазині будівельних матеріалів. Пригодиться і пінопласт, рекомендуємо застосувати ізоляцію типу Пенофол, що відбиває, або подібну. Наприклад, береться ящик, з двох сторін щільно обробляється згаданим матеріалом, що вже готовий хороший саморобний холодильник. Для відомості – матеріал взятий із космічної галузі, де використовувався для створення скафандрів. Сонячні промені вбивчі поза атмосферою, а космічний холод змусить здригнутися самого Саурона, але космонавту все перераховане не завдавало особливої ​​шкоди під шаром Пенофола. Зрозуміло, у скафандрах застосовувалося золото, срібло, а чи не алюміній, можливо, обійшлося без поліетилену. Факт - властивості матеріалу дивовижні.
3. Охолоджувачем спочатку стане єдиний елемент Пельтьє. Вмонтуємо його на клей-герметик. Потім покажемо методику, що дозволяє визначити кількість модулів, необхідних, щоб саморобний холодильник почав морозити.

Методика розрахунку саморобного холодильника на елементах Пельтьє

Виходимо з факту, що втрати втрати залежать лінійно від різниці температур всередині і зовні саморобного холодильника. Ідемо від простого до складного:

1. Допустимо, температура в кімнаті становить 20 ºС і протягом досвіду залишається незмінною. Розпочнемо дослідження. Вочевидь, що за відсутності елементів Пельтье температура всередині холодильника становитиме 20 ºС. Це перша точка на прямій (втрати лінійно ростуть від різниці температур зовні та всередині саморобного холодильника). Встановимо елемент Пельтьє з радіаторами на обох боках, причому зовнішній обдувається кулером для посилення ефекту.
2. Через час температура у відсіку об'ємом 30 літрів становила 14 ºС. Стверджуємо, що, додавши ще два елементи Пельтьє з радіаторами та кулерами, кожен отримає 2 градуси тепла всередині саморобного холодильника, якщо в кімнаті 20 ºС тепла. Схема:

Висновки щодо конструктиву саморобного холодильника

Решта висновків читачі зроблять самостійно: саморобний холодильник дасть 2 градуси тепла за шкалою Цельсія, якщо забезпечити прилад трьома елементами Пельтьє з кулерами. Досвід можна узагальнювати, підбирати оптимальну ізоляцію, варіювати умови. Приміром, кулери прибрати, щоби не шуміли і не витрачали енергію. Це спростить конструкцію. Але хочемо охолодити запал винахідників: у справжніх, не саморобних холодильниках, використовуються два вентилятори, для холодного та гарячого контуру. Експериментуйте.

Пристрій холодильника витримає комп'ютерний блок живлення. Згадайте, скільки споживає процесор! Елемент Пельтьє не головне всередині. Вольтаж вже заздалегідь пристосований, не доведеться шукати рідкісних деталей. Купуєте три елементи Пельтьє, щоб самостійно зробити холодильник, берете блок живлення зі старенького ПК, споруджуєте коробку з двома кулерами, отримуєте готовий продукт. Причому здатний працювати від автомобільного акумулятора.

Принцип дії холодильника настільки очевидний, що зрозумілий для дітей. При зміні напрямку струму елементи Пельтьє працюють на нагрівання. Добре мати поруч теплу їжу, коли довкола немає підігрівального пристрою. В останньому випадку закон працює у зворотний бік. Три елементи Пельтьє всередині саморобного холодильника забезпечать температуру на 18 ºС вище за навколишнє середовище. Якщо в машині 25, у коробці покаже 43. Достатньо, щоб перекусити та не скаржитися. Виходить уже два прилади в одній особі.

Хочемо подякувати автору відео на Ютуб за чудову ідею, як зробити холодильник самостійно. Нехай задум не надто вдавався, але лише тому, що обсяг великий. Елементи Пельтьє процесорні не настільки потужні, щоб самотужки здолати великий обсяг, до кінця не оформлений.

Відмінний виріб для літа - зробити мініатюрний холодильник з низьковольтним харчуванням. Різноманітність напруги живлення (220 В, 12 В, 5 В) дає можливість використовувати такий холодильник практично де завгодно: в машині, офісі, будинку і тп. Це прекрасна річ, щоб охолодити напої у спекотний літній день.

Знадобиться

Виготовлення мініатюрного холодильника на елементі Пельтьє

Корпус було зроблено довільних розмірів з урахуванням розміщення блоку охолодження, блоку живлення та камери для напоїв. Він складатиметься з двох секцій: одна для технічної частини, інша для охолодження продуктів.
Виготовляємо корпус. Розмічаємо шматок оргаліту за допомогою олівця та лінійки.

Випилюємо ножівкою всі елементи.

Усі частини корпусу готові.

З середньої частини, що розділяє холодильник на дві частини, вирізаємо вікно для радіатора з модулем Пельтьє.

Прикладаємо блок охолодження до бічної частини корпусу.

І розсвердлюємо безліч отворів з обох боків. Тобто потік повітря потраплятиме з одного боку через отвори у бічній частині. Проходити через радіатор забираючи тепло та виходити через отвори з іншого боку.

Фарбуємо аерозольною фарбою з балончика всі деталі корпусу холодильника.

Приступаємо до збирання.

Приклеюємо розділювальну частину блоку охолодження на гарячий клей.

Склеюємо всі частини корпусу з двох сторін.

Блок охолодження лежить на дерев'яному шматочку, який приклеєний до основи.

Для підсвічування знадобляться дві секції світлодіодної стрічкина 12 Ст. Один колір білий, інший кольоровий.

Привертаємо маленький вентилятор.

Технічну частину холодильника ділимо на дві частини. У верхній розташовуватиметься джерело живлення. Роздільна стінка кладеться на приклеєні до боків квадратні відрізки дерев'яної рейки.

Встановлюємо задню стінку.

Дверцята зробимо зі шматка акрилового скла. Розмічаємо лінійкою та олівцем.

Мініатюрні петлі можна купити чи зробити самому. Приклеюємо їх на секундний клей.

Сторони акрилового скла обклеюємо чорною стрічкою, що самоклеїться.

Приклеюємо ручку на дверцята.

Організуємо підсвічування. Припаєм контакти до кінцевого міні перемикача.

Припаюємо дроти до відрізків світлодіодної стрічки. Самі відрізки клеїмо на міні поличку, виготовлену з того ж акрилу.

З'єднуємо підсвічування, вентилятори, елемент Пельтьє.

Встановлюємо перемикач на бічну частину.

Ізолюємо всі відкриті скручування.

Закриваємо відсік із блоком охолодження. Це потрібно зробити для того, щоб гаряче повітря не піднімалося вгору і не нагрівало джерело живлення.

Свердлимо отвір під провід живлення 220 В.

Щоб дверцята холодильника не відчинялися - встановимо на бік маленькі неодимові магніти від зламаного сидиром.

Закриваємо верхню кришку, але перед цим врізаємо вимикач живлення, припаюємо дроти. Тепер холодильник можна вимикати кнопкою зверху.

Закриваємо кришкою та фіксуємо клеєм.

Для належної термоізоляції обклеюємо внутрішню частину холодильника тонким пінопластом. Висаджені вирізані панелі пінопласту на гарячий клей.

Ну і, нарешті, результат роботи такий, що за тридцять хвилин температура всередині камери впала з 42 до 16 градусів Цельсія. Напої охолоне до температури 20 градусів Цельсія. І все це за 30 хвилин!

Звичайно, ККД такого холодильника набагато нижче, ніж у компресорного, але у нього є і свої плюси, один з яких є низьковольтне харчування, яке може становити не тільки 12 В але і 5 В! Звичайно живити його цілком можливо від USB порту комп'ютера, правда віддача буде нижче ніж при живленні від напруги 12 В.
Сумарна споживана потужність при живленні від мережі 220 В становить близько 100 Вт. докладна інструкціязі збирання у відео нижче.

Напівпровідникові холодильники Пельтьє

Робота сучасних високопродуктивних електронних компонентів, що становлять основу комп'ютерів, супроводжується значним тепловиділенням, особливо при експлуатації в форсованих режимах розгону (overclocking). Ефективна робота таких компонентів потребує адекватних засобів охолодження, що забезпечують необхідні температурні режими їхньої роботи. Як правило, такими засобами підтримки оптимальних температурних режимівє кулери, основою яких є традиційні радіатори та вентилятори.

Надійність та продуктивність таких засобів безперервно підвищуються за рахунок удосконалення їх конструкції, використання новітніх технологійта застосування у їх складі різноманітних датчиків та засобів контролю. Це дозволяє інтегрувати подібні засоби до складу комп'ютерних систем, забезпечуючи діагностику та керування їх роботою з метою досягнення найбільшої ефективності при забезпеченні оптимальних температурних режимів експлуатації комп'ютерних елементів, що підвищує надійність та подовжує їх безаварійну роботу.

Параметри традиційних кулерів безперервно покращуються, проте останнім часом на комп'ютерному ринку з'явилися і незабаром стали популярними такі специфічні засоби охолодження електронних елементів як напівпровідникові холодильники Пельтьє (хоча часто застосовується слово кулер, але правильним терміном у випадку елементів Пельтьє є саме холодильник).

Холодильники Пельтьє, що містять спеціальні напівпровідникові термоелектричні модулі, робота яких заснована на ефект Пельтьє, відкритому ще в 1834 р., є надзвичайно перспективними пристроями охолодження. Подібні кошти вже багато років успішно застосовують у різних галузях науки і техніки.

У шістдесятих та сімдесятих роках вітчизняною промисловістю робилися неодноразові спроби випуску побутових малогабаритних холодильників, робота яких була заснована на ефекті Пельтьє. Однак недосконалість існуючих технологій, низькі значення коефіцієнта корисної дії та високі цінине дозволили в ті часи подібним пристроям залишити науково-дослідні лабораторії та випробувальні стенди.

Але ефект Пельтьє та термоелектричні модулі не залишилися долею лише вчених. У процесі вдосконалення технологій багато негативних явищ вдалося істотно послабити. В результаті цих зусиль було створено високоефективні та надійні напівпровідникові модулі.

В останні роки ці модулі, робота яких заснована на ефекті Пельтьє, стали активно використовувати для охолодження різноманітних електронних компонентів комп'ютерів. Їх, зокрема, почали застосовувати для охолодження сучасних потужних процесорів, робота яких супроводжується високим рівнем тепловиділення.

Завдяки своїм унікальним тепловим та експлуатаційним властивостям пристрої, створені на основі термоелектричних модулів – модулів Пельтьє, дозволяють досягти необхідного рівня охолодження комп'ютерних елементів без особливих технічних труднощів та фінансових витрат. Як кулери електронних компонентів, ці засоби підтримки необхідних температурних режимів їх експлуатації є надзвичайно перспективними. Вони компактні, зручні, надійні і мають дуже високу ефективність роботи.

Особливо великий інтерес напівпровідникові холодильники представляють як засоби, що забезпечують інтенсивне охолодження в комп'ютерних системах, елементи яких встановлено і експлуатуються в жорстких форсованих режимах. Використання таких режимів - розгону (overclocking) часто забезпечує значний приріст продуктивності електронних компонентів, що застосовуються, а, отже, як правило, і всієї системи комп'ютера. Однак робота комп'ютерних компонентів у подібних режимах відрізняється значним тепловиділенням і нерідко перебуває на межі можливостей комп'ютерних архітектур, а також існуючих мікроелектронних технологій. Такими комп'ютерними компонентами, робота яких супроводжується високим тепловиділенням, є не тільки високопродуктивні процесори, а й елементи сучасних високопродуктивних відеоадаптерів, а в деяких випадках мікросхеми модулів пам'яті. Подібні потужні елементи вимагають своєї коректної роботи інтенсивного охолодження навіть у штатних режимах і більше режимах розгону.

Модулі Пельтьє

У холодильниках Пельтьє використовується звичайний, так званий термоелектричний холодильник, дія якого ґрунтується на ефекті Пельтьє. Цей ефект названий на честь французького годинникара Пельтьє (1785-1845 р.), який зробив своє відкриття понад півтора століття тому - в 1834 р.

Сам Пельтьє не зовсім розумів сутність відкритого їм явища. Справжній сенс явища було встановлено кількома роками пізніше 1838 року Ленцем (1804-1865 р.).

У поглиблення на стику двох стрижнів з вісмуту та сурми Ленц помістив краплю води. При пропущенні електричного струму в одному напрямку крапля води замерзала. При пропусканні струму в протилежному напрямку лід, що утворився, танув. Тим самим було встановлено, що при проходженні через контакт двох провідників електричного струму, залежно від напрямку останнього, крім джоулева тепла виділяється або поглинається додаткове тепло, яке отримало назву тепла Пельтьє. Це явище отримало назву явища Пельтьє (ефекту Пельтьє). Таким чином, воно є зворотним по відношенню до явища Зеєбека.

Якщо в замкнутому ланцюзі, що складається з кількох металів або напівпровідників, температури в місцях контактів металів або напівпровідників різні, то в ланцюзі з'являється електричний струм. Це явище термоелектричного струму було відкрито 1821 року німецьким фізиком Зеебеком (1770-1831 р.).

На відміну від тепла Джоуля-Ленца, яке пропорційно квадрату сили струму (Q=R·I·I·t), тепло Пельтьє пропорційне першому ступені сили струму і змінює знак при зміні напрямку останнього. Тепло Пельтьє, як показали експериментальні дослідження, можна висловити формулою:

Qп = П ·q

де q - кількість минулої електрики (q = I · t), П - так званий коефіцієнт Пельтьє, величина якого залежить від природи контактуючих матеріалів та від їх температури.

Тепло Пельтьє Qп вважається позитивним, якщо воно виділяється, і негативним, якщо воно поглинається.

Мал. 1. Схема досвіду для вимірювання тепла Пельтьє, Cu – мідь, Bi – вісмут.

У представленій схемі досвіду вимірювання тепла Пельтьє при однаковому опорі проводів R (Cu+Bi), опущених в калориметри, виділиться те саме джоулеве тепло в кожному калориметрі, а саме по Q=R·I·I·t. Тепло Пельтьє, навпаки, у одному калориметрі буде позитивно, а іншому негативно. Відповідно до даної схеми можна виміряти тепло Пельтьє та обчислити значення коефіцієнтів Пельтьє для різних пар провідників.

Слід зазначити, що коефіцієнт Пельтьє залежить від температури. Деякі значення коефіцієнта Пельтьє щодо різних пар металів представлені у таблиці.

Значення коефіцієнта Пельтьє для різних пар металів
Залізо-константан		Мідь-нікель		Свинець-константан
T, К	П, мВ	T, К	П, мВ	T, К	П, мВ
273	13,0	292	8,0	293	8,7
299	15,0	328	9,0	383	11,8
403	19,0	478	10,3	508	16,0
513	26,0	563	8,6	578	18,7
593	34,0	613	8,0	633	20,6
833	52,0	718	10,0	713	23,4

Коефіцієнт Пельтьє, що є важливою технічною характеристикою матеріалів, зазвичай не вимірюється, а обчислюється через коефіцієнт Томсона:

П = a · T

де П – коефіцієнт Пельтьє, a – коефіцієнт Томсона, T – абсолютна температура.

Відкриття ефекту Пельтьє зробило великий вплив на подальший розвиток фізики, а надалі і різних галузей техніки.

Отже, суть відкритого ефекту полягає в наступному: при проходженні електричного струму через контакт двох провідників, зроблених з різних матеріалів, в залежності від його напрямку, крім джоулева тепла виділяється або поглинається додаткове тепло, яке отримало назву тепла Пельтьє. Ступінь прояву даного ефекту значною мірою залежить від матеріалів вибраних провідників та електричних режимів.

Класична теорія пояснює явище Пельтьє тим, що електрони, що переносяться струмом з одного металу в інший, прискорюються або уповільнюються під дією внутрішньої різниці контактної потенціалів між металами. У першому випадку кінетична енергія електронів збільшується, а потім виділяється як тепла. У другому випадку кінетична енергія електронів зменшується, і цей спад енергії поповнюється за рахунок теплових коливань атомів другого провідника. В результаті відбувається охолодження. Більш повна теорія враховує зміну не потенційної енергії при перенесенні електрона з одного металу до іншого, а зміна повної енергії.

Найбільш сильно ефект Пельтьє спостерігається у разі використання напівпровідників p- та n-типу провідності. Залежно від напрямку електричного струму через контакт напівпровідників різного типу p-n- та n-p-переходів внаслідок взаємодії зарядів, представлених електронами (n) та дірками (p), та їх рекомбінації енергія або поглинається, або виділяється. В результаті даних взаємодій та породжених енергетичних процесів тепло або поглинається, або виділяється. Використання напівпровідників p- та n-типу провідності в термоелектричних холодильниках ілюструє рис. 2.

Мал. 2. Використання напівпровідників p- та n-типу в термоелектричних холодильниках.

Поєднання великої кількості пар напівпровідників p- і n-типу дозволяє створювати охолоджуючі елементи - модулі Пельтьє порівняно великої потужності. Структура напівпровідникового термоелектричного модуля Пельтьє представлена ​​на рис. 3.

Мал. 3. Структура модуля Пельтьє

Модуль Пельтьє являє собою термоелектричний холодильник, що складається з послідовно з'єднаних напівпровідників p-і n-типу, що утворюють p-n-і n-p-переходи. Кожен із таких переходів має тепловий контакт із одним із двох радіаторів. В результаті проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтьє: один радіатор працює як холодильник, інший нагрівається радіатор і служить для відведення тепла. На рис. 4 представлений зовнішній вигляд типового модуля Пельтьє.

Мал. 4. Зовнішній виглядмодуля Пельтьє

Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад, що становить кілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолодженні радіатора, що нагрівається другий радіатор - холодильник, дозволяє досягти негативних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтьє за умови забезпечення адекватного їх охолодження. Це дозволяє порівняно простими засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолодження елементів, що захищаються. На рис. 5 наведено приклад каскадного включення типових модулів Пельтьє.

Мал. 5. Приклад каскадного включення модулів Пельтьє

Пристрої охолодження на основі модулів Пельтьє часто називають активними холодильниками Пельтьє або кулерами Пельтьє.

Використання модулів Пельтьє в активних кулерах робить їх значно ефективнішими порівняно зі стандартними типами кулерів на основі традиційних радіаторів і вентиляторів. Однак у процесі конструювання та використання кулерів з модулями Пельтьє необхідно враховувати низку специфічних особливостей, що випливають із конструкції модулів, їх принципу роботи, архітектури сучасних апаратних засобів комп'ютерів та функціональних можливостей системного та прикладного програмного забезпечення.

Велике значенняграє потужність модуля Пельтьє, яка зазвичай залежить від його розміру. Модуль малої потужності не забезпечує необхідний рівень охолодження, що може призвести до порушення працездатності електронного елемента, що захищається, наприклад, процесора внаслідок його перегріву. Однак застосування модулів занадто великої потужності може викликати зниження температури радіатора охолоджуючого до рівня конденсації вологи з повітря, що небезпечно для електронних ланцюгів. Це пов'язано з тим, що вода, яка безперервно одержується в результаті конденсації, може призвести до коротких замикань в електронних ланцюгах комп'ютера. Тут доречно нагадати, що відстань між струмопровідними провідниками на сучасних друкованих платах нерідко становить частки міліметрів. Тим не менш, незважаючи ні на що, саме потужні модулі Пельтьє у складі високопродуктивних кулерів та відповідні системи додаткового охолодження та вентиляції дозволили свого часу фірмам KryoTech та AMD у спільних дослідженнях розігнати процесори AMD, створені за традиційною технологією, до частоти, що перевищує 1 ГГц. тобто збільшити їх частоту роботи майже в 2 рази в порівнянні зі штатним режимом їх функціонування. І необхідно наголосити, що даний рівень продуктивності досягнуто в умовах забезпечення необхідної стабільності та надійності роботи процесорів у форсованих режимах. Ну, а наслідком такого екстремального розгону став рекорд продуктивності серед процесорів архітектури та системи команд 80х86. А фірма KryoTech непогано заробила, пропонуючи на ринку свої установки охолодження. Забезпечені відповідною електронною начинкою, вони виявилися затребуваними як платформи високопродуктивних серверів і робочих станцій. А фірма AMD отримала підтвердження високого рівня своїх виробів та багатий експериментальний матеріал для подальшого вдосконалення архітектури своїх процесорів. До речі, аналогічні дослідження були проведені і з процесорами Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, у яких було отримано також значний приріст продуктивності.

Необхідно відзначити, що модулі Пельтьє у процесі своєї роботи виділяють порівняно велику кількість тепла. Тому слід застосовувати не тільки потужний вентилятор у складі кулера, але й заходи для зниження температури всередині корпусу комп'ютера для попередження перегріву інших компонентів комп'ютера. Для цього доцільно використовувати додаткові вентилятори в конструктиві корпусу комп'ютера для забезпечення кращого теплообміну довкіллямпоза корпусом.

На рис. 6 представлений зовнішній вигляд активного кулера, у складі якого використаний напівпровідниковий модуль Пельтьє.

Мал. 6. Зовнішній вигляд кулера з модулем Пельтьє

Слід зазначити, що системи охолодження на основі Пельтьє модулів використовуються не тільки в електронних системах, таких як комп'ютери. Подібні модулі використовуються для охолодження різних високоточних пристроїв. Велике значення модулі Пельтьє мають для науки. Насамперед це стосується експериментальних досліджень, які виконуються у фізиці, хімії, біології.

Інформацію про модулі та холодильники Пельтьє, а також особливості та результати їх застосування можна знайти на сайтах в Internet, наприклад, за такими адресами:

Особливості експлуатації

Модулі Пельтьє, що застосовуються у складі засобів охолодження електронних елементів, відрізняються порівняно високою надійністю, і на відміну від холодильників, створених за традиційною технологією, не мають частин, що рухаються. І, як це зазначалося вище, для збільшення ефективності своєї роботи вони допускають каскадне використання, що дозволяють довести температуру корпусів електронних елементів, що захищаються, до негативних значень навіть при їх значній потужності розсіювання.

Однак крім очевидних переваг, модулі Пельтьє має і низку специфічних властивостей та характеристик, які необхідно враховувати при їх використанні у складі охолоджувальних засобів. Деякі з них вже були відзначені, але для коректного застосування модулів Пельтьє вимагають більш детального розгляду. До найважливіших характеристик належать такі особливості експлуатації:

• Модулі Пельтьє, що виділяють у процесі своєї роботи велику кількість тепла, вимагають наявності у складі кулера відповідних радіаторів та вентиляторів, здатних ефективно відводити надлишкове тепло від модулів, що охолоджують. Слід зазначити, що термоелектричні модулі відрізняються відносно низьким коефіцієнтом корисної дії (ККД) і, виконуючи функції теплового насоса, вони є потужними джерелами тепла. Використання даних модулів у складі засобів охолодження електронних комплектуючих комп'ютера викликає значне зростання температури всередині системного блоку, що нерідко потребує додаткових заходів та засобів для зниження температури всередині корпусу комп'ютера. В іншому випадку підвищена температура всередині корпусу створює труднощі для роботи не тільки для елементів, що захищаються, і їх систем охолодження, але й іншим компонентам комп'ютера. Необхідно також наголосити, що модулі Пельтьє є порівняно потужним додатковим навантаженням для блоку живлення. З урахуванням значення струму споживання модулів Пельтьє величина потужності блока живлення комп'ютера повинна бути не менше ніж 250 Вт. Все це призводить до доцільності вибору материнських плат та корпусів конструктиву ATX із блоками живлення достатньої потужності. Використання цього конструктиву полегшує для комплектуючих комп'ютера організацію оптимальних теплового та електричного режимів. Слід зазначити, що існують холодильники Пельтьє із власним блоком живлення.
• Модуль Пельтьє, у разі виходу його з ладу, ізолює елемент, що охолоджується, від радіатора кулера. Це призводить до дуже швидкого порушення теплового режиму елемента, що захищається, і швидкого виходу його з ладу від наступного перегріву.
• Низькі температури, що виникають у процесі роботи холодильників Пельтьє надмірної потужності, сприяють конденсації вологи з повітря. Це становить небезпеку для електронних компонентів, оскільки конденсат може спричинити короткі замикання між елементами. Для унеможливлення цієї небезпеки доцільно використовувати холодильники Пельтьє оптимальної потужності. Виникне конденсація чи ні, залежить від кількох параметрів. Найважливішими є: температура навколишнього середовища (в даному випадку температура повітря всередині корпусу), температура об'єкта, що охолоджується, і вологість повітря. Чим тепліше повітря всередині корпусу і чим більша вологість, тим швидше відбудеться конденсація вологи і наступний вихід з ладу електронних елементів комп'ютера. Нижче представлена ​​таблиця, що ілюструє залежність температуру конденсації вологи на об'єкті, що охолоджується, залежно від вологості і температури навколишнього повітря. Використовуючи цю таблицю, можна легко встановити, чи існує небезпека конденсації вологи чи ні. Наприклад, якщо зовнішня температура 25°C, а вологість 65%, то конденсація вологи на об'єкті, що охолоджується, відбувається при температурі його поверхні нижче 18°C.

Температура конденсації вологи

Вологість, %
Температура навколишнього середовища, °C	30	35	40	45	50	55	60	65	70
30	11	13	15	17	18	20	21	23	24
29	10	12	14	16	18	19	20	22	23
28	9	11	13	15	17	18	20	21	22
27	8	10	12	14	16	17	19	20	21
26	7	9	11	13	15	16	18	19	20
25	6	9	11	12	14	15	17	18	19
24	5	8	10	11	13	14	16	17	18
23	5	7	9	10	12	14	15	16	17
22	4	6	8	10	11	13	14	15	16
21	3	5	7	9	10	12	13	14	15
20	2	4	6	8	9	11	12	13	14

Крім зазначених особливостей, необхідно враховувати і низку специфічних обставин, пов'язаних з використанням термоелектричних модулів Пельтьє у складі кулерів, які застосовуються для охолодження високопродуктивних центральних процесорів потужних комп'ютерів.

Архітектура сучасних процесорів та деякі системні програми передбачають зміну енергоспоживання залежно від завантаження процесорів. Це дозволяє оптимізувати їхнє енергоспоживання. До речі, це передбачено і стандартами енергозбереження, які підтримуються деякими функціями, вбудованими в апаратно-програмне забезпечення сучасних комп'ютерів. У звичайних умовахоптимізація роботи процесора та його енергоспоживання благотворно позначається як на тепловому режимі самого процесора, так і на загальному тепловому балансі. Однак слід зазначити, що режими з періодичною зміною енергоспоживання можуть погано поєднуватися із засобами охолодження процесорів, які використовують модулі Пельтьє. Це пов'язано з тим, що існуючі холодильники Пельтьє, як правило, розраховані на безперервну роботу. У зв'язку з цим найпростіші холодильники Пельтьє, які не мають засобів контролю, не рекомендується використовувати разом з охолодними програмами, такими як, наприклад, CpuIdle, а також з операційними системами Windows NT/2000 або Linux.

У разі переходу процесора в режим зниженого енергоспоживання і тепловиділення можливе значне зниження температури корпусу і кристала процесора. Переохолодження ядра процесора може викликати в деяких випадках тимчасове припинення його працездатності, і, як результат, стійке зависання комп'ютера. Відповідно до документації фірми Intel мінімальна температура, при якій гарантується коректна робота серійних процесорів Pentium II і Pentium III, зазвичай становить +5 ° C, хоча, як показує практика, вони чудово працюють і при нижчих температурах.

Деякі проблеми можуть виникнути і внаслідок роботи ряду вбудованих функцій, наприклад, тих, що здійснюють керування вентиляторами кулерів. Зокрема, режими управління енергоспоживанням процесора в деяких комп'ютерних системах передбачають зміну швидкості обертання вентиляторів, що охолоджують, через вбудовані апаратні засоби материнської плати. За звичайних умов це значно покращує тепловий режим процесора комп'ютера. Однак у разі використання найпростіших холодильників Пельтьє зменшення швидкості обертання може призвести до погіршення теплового режиму з фатальним результатом для процесора вже внаслідок його перегріву працюючим модулем Пельтьє, який, крім виконання функцій теплового насоса, є потужним джерелом додаткового тепла.

Як і у випадку центральних процесорів комп'ютерів, холодильники Пельтьє можуть бути гарною альтернативою традиційним засобам охолодження відеочіпсетів, що використовуються в складі сучасних високопродуктивних відеоадаптерів. Робота таких відеочіпсетів супроводжується значним тепловиділенням і зазвичай не схильна до різких змін режимів їх функціонування.

Для того, щоб виключити проблеми з режимами змінного енергоспоживання, що викликають конденсацію вологи з повітря і можливе переохолодження, а в деяких випадках навіть перегрів елементів, таких як процесори комп'ютерів, захищаються, слід відмовитися від використання подібних режимів і ряду вбудованих функцій. Однак як альтернативу можна використовувати системи охолодження, які передбачають інтелектуальні засоби керування холодильниками Пельтьє. Такі засоби можуть контролювати не тільки роботу вентиляторів, а й змінювати режими роботи самих термоелектричних модулів, що використовуються у складі активних кулерів.

З'явилися повідомлення про експерименти з вбудовування мініатюрних модулів Пельтьє безпосередньо до мікросхем процесорів для охолодження їх найбільш критичних структур. Таке рішення сприяє кращому охолодженнюза рахунок зниження теплового опору і дозволяє значно підвищити робочу частоту та продуктивність процесорів.

Роботи у напрямку вдосконалення систем забезпечення оптимальних температурних режимів електронних елементів проводяться багатьма дослідницькими лабораторіями. І системи охолодження, які передбачають використання термоелектричних модулів Пельтьє, вважаються надзвичайно перспективними.

Приклади холодильників Пельтьє

Порівняно нещодавно на комп'ютерному ринку з'явилися модулі Пельтьє вітчизняного виробництва. Це прості, надійні та порівняно дешеві ($7-$15) пристрої. Як правило, вентилятор, що охолоджує, не входить до складу. Проте, подібні модулі дозволяють як познайомитися з перспективними засобами охолодження, а й використовувати їх за прямим призначенням у системах захисту комп'ютерних компонентів. Ось короткі параметри одного із зразків.

Розмір модуля (Рис.7) – 40×40 мм, максимальний струм – 6 А, максимальна напруга – 15 В, споживана потужність – до 85 Вт, перепад температур – понад 60 °C. При забезпеченні потужного вентилятора модуль здатний захистити процесор при розсіюваній ним потужності до 40 Вт.

Мал. 7. Зовнішній вигляд холодильника PAP2X3B

На ринку представлені як менш, так і потужніші варіанти вітчизняних модулів Пельтьє.

Спектр закордонних пристроїв значно ширший. Нижче наведено приклади холодильників, у конструкції яких використані термоелектричні модулі Пельтьє.

Активні холодильники Пельтьє фірми Computernerd

Назва	Виробник/постачальник	Параметри вентилятора	Процесор
PAX56B	Computernerd	ball-bearing	Pentium/MMX до 200 МГц, 25 Вт
PA6EXB	Computernerd	dual ball-bearing, тахометр	Pentium MMX до 40 Вт
DT-P54A	DesTech Solutions	dual ball bearing	Pentium
AC-P2	AOC Cooler	ball bearing	Pentium II
PAP2X3B	Computernerd	3 ball bearing	Pentium II
STEP-UP-53X2	Step Thermodynamics	2 ball bearing	Pentium II, Celeron
PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier	Computernerd	3 ball-bearing, тахометр	Pentium II, Celeron
PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier	Computernerd	3 ball-bearing, тахометр	Pentium II, Celeron
PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier	Computernerd	3 ball-bearing, тахометр	Pentium II, Celeron

Холодильник PAX56B розроблений для охолодження процесорів Pentium та Pentium-MMX фірм Intel, Cyrix та AMD, що працюють на частотах до 200 МГц. Термоелектричний модуль розміром 30×30 мм дозволяє холодильнику підтримувати температуру процесора нижче 63 °C при розсіюваній ним потужності 25 Вт і зовнішній температурі, що дорівнює 25 °C. У зв'язку з тим, що більшість процесорів розсіюють меншу потужність, цей холодильник дозволяє підтримувати температуру процесора набагато нижче, ніж багато альтернативних кулеров на основі радіаторів та вентиляторів. Живлення модуля Пельтьє, що входить до складу холодильника PAX56B, здійснюється від джерела 5, здатного забезпечити струм 1,5 А (максимум). Вентилятор даного холодильника вимагає напруга 12 В та струм 0,1 А (максимум). Параметри вентилятора холодильника PAX56B: ball-bearing, 47,5 мм, 65000 годин, 26 дБ. Загальний розмір цього холодильника становить 25×25×28,7 мм. Орієнтовна цінахолодильника PAX56B дорівнює $35. Вказана ціна наведена відповідно до прайс-листу фірми на середину 2000 року.

Холодильник PA6EXB розроблений для охолодження потужніших процесорів Pentium-MMX, що розсіюють потужність до 40 Вт. Цей холодильник підходить для всіх процесорів фірм Intel, Cyrix і AMD, які підключаються через Socket 5 або Socket 7. З підключенням через стандартний роз'єм живлення комп'ютера. Загальний розмір холодильника PA6EXB становить 60 60 52,5 мм. При установці даного холодильника для хорошого теплообміну радіатора з навколишнім середовищем необхідно забезпечити відкритий простір навколо холодильника щонайменше 10 мм зверху та 2,5 мм з боків. Холодильник PA6EXB забезпечує температуру процесора 62,7 °C при розсіюваній ним потужності 40 Вт і зовнішній температурі 45 °C. Враховуючи принцип роботи термоелектричного модуля, що входить до складу даного холодильника, щоб уникнути конденсації вологи та короткого замикання необхідно уникати використання програм, які переводять процесор у режим сну на тривалий час. Орієнтовна ціна такого холодильника складає $65. Вказана ціна наведена відповідно до прайс-листу фірми на середину 2000 року.

Холодильник DT-P54A (також відомий під назвою PA5B фірми Computernerd) розроблений для процесорів Pentium. Однак деякі фірми, що пропонують ці холодильники на ринку, рекомендують його і користувачам Cyrix/IBM 6x86 та AMD K6. Радіатор, що входить до складу холодильника, досить малий. Його розміри 29 29 мм. У холодильник вбудований термодатчик, який за потреби сповістить про перегрівання. Він також контролює елемент Пельтьє. У комплект входить зовнішній контрольний пристрій. Воно виконує функції контролю за напругою і роботою елемента Пельтьє, роботою вентилятора, а також температурою процесора. Пристрій видасть сигнал тривоги, якщо елемент Пельтьє або вентилятор вийшли з ладу, якщо вентилятор обертається зі швидкістю меншою, ніж на 70% від необхідного значення (4500 RPM) або температура процесора піднялася вище 145°F (63°C). Якщо температура процесора піднялася вище 100°F (38°C), то елемент Пельтьє автоматично вмикається, інакше він перебуває у режимі вимкнення. Остання функція усуває проблеми, пов'язані з конденсацією вологи. На жаль, сам елемент приклеєний до радіатора настільки сильно, що його неможливо відокремити, не зруйнувавши його конструкцію. Це позбавляє можливості встановити його на інший, потужніший радіатор. Що стосується вентилятора, то його конструкція характеризується високим рівнем надійності і він має високі параметри: напруга живлення - 12 В, швидкість обертання - 4500 RPM, швидкість подачі повітря - 6.0 CFM, споживана потужність - 1 Вт, шумові характеристики - 30 дБ. Цей холодильник досить продуктивний та корисний при розгоні. Однак у деяких випадках розгону процесора слід скористатися просто великим радіатором та гарним кулером. Ціна цього холодильника складає від $39 до $49. Вказана ціна наведена відповідно до прайс-листу кількох фірм на середину 2000 року.

Холодильник AC-P2 розроблено для процесорів типу Pentium II. У комплект входить 60 мм кулер, радіатор та елемент Пельтьє розміром 40 мм. Погано підходить до процесорів Pentium II 400 МГц і вище, оскільки практично не охолоджуються чіпи пам'яті SRAM. Орієнтовна ціна на середину 2000 року – $59.

Холодильник PAP2X3B (рис. 8) аналогічний до AOC AC-P2. До нього додано два 60 мм кулери. Проблеми з охолодженням пам'яті SRAM залишилися невирішеними. Варто відзначити, що холодильник не рекомендується використовувати разом з охолодними програмами, такими як, наприклад, CpuIdle, а також під операційними системами Windows NT або Linux, оскільки можлива конденсація вологи на процесорі. Орієнтовна ціна на середину 2000 року – $79.

Мал. 8. Зовнішній вигляд холодильника PAP2X3B

Холодильник STEP-UP-53X2 оснащений двома вентиляторами, що прокачують велику кількість повітря через радіатор. Орієнтовна ціна на середину 2000 року – $79 (Pentium II), $69 (Celeron).

Холодильники серії Bcool від Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) розроблені для процесорів Pentium II і Celeron і мають схожі характеристики, таблицю.

Холодильники серії BCool

Item		PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier	PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier							PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier
Рекомендовані процесори		Pentium II і Celeron
Кількість вентиляторів		3
Тип центрального вентилятора		Ball-Bearing, тахометр (12 В, 120 мА)
Розмір центрального вентилятора		60x60x10 мм
Тип зовнішнього вентилятора		Ball-Bearing	Ball-Bearing, тахометр							Ball-Bearing, термістр
Розмір зовнішнього вентилятора		60x60x10 мм	60x60x25 мм
Напруга, струм		12, 90 мА	12 В, 130 мА							12, 80-225 мА
Загальна площа охоплення вентиляторами		84.9 см 2
Загальний струм для вентиляторів (потужність)		300 мА (3.6 Вт)	380 мА (4.56 Вт)							280-570 мА (3.36-6.84 Вт)
Кількість штирків на радіаторі (центр)		63 довгих та 72 коротких
Кількість штирків на радіаторі (з кожного краю)		45 довгих та 18 коротких
Загальна кількість штирьків на радіаторі		153 довгих та 108 коротких
Розміри радіатора (центр)		57x59x27 мм (включаючи термоелектричний модуль)
Розміри радіатора (з кожного краю)		41x59x32 мм
Загальні розміри радіатора		145x59x38 мм (включаючи термоелектричний модуль)
Загальні розміри холодильника		145x60x50 мм	145x60x65 мм
Вага холодильника		357 грам	416 грам							422 грам
Гарантія		5 років
Орієнтовна ціна (2000 р.)		$74.95	$79.95							$84.95

Слід зазначити, що група холодильників BCool включає також пристрої, які мають схожі характеристики, але в яких відсутні елементи Пельтьє. Такі холодильники, природно, дешевші, але й менш ефективні як засоби охолодження комп'ютерних комплектуючих.

Під час підготовки статті були використані матеріали книги "PC: налаштування, оптимізація та розгін". 2-ге вид., перераб. і доп., - СПб.: BHV - Петербург. 2000. - 336 с.

В 1834 французький вчений-фізик Жан Шарль Пельтьє, досліджуючи вплив електрики на провідники, виявив дуже цікавий ефект. Якщо пропускати струм через два різнорідні провідники, що знаходяться в безпосередній близькості один від одного, то один із цих провідників починає сильно грітися, а другий, навпаки, сильно охолоджуватися. Кількість тепла, що виділяється і поглинається, безпосередньо залежить від сили і напряму електричного струму. Якщо змінити напрямок струму, то зміняться місцями холодна і гаряча сторони. Трохи пізніше цей феномен отримав назву ефекту Пельтьє і був забутий через практичну незатребуваність на той момент.

І лише через сто з лишком років, з розквітом напівпровідникової ери, з'явилася нагальна необхідність у компактних, недорогих та ефективних охолоджувачах. Так, у 60-х роках 20 століття з'явилися перші напівпровідникові термоелектричні модулі, які отримали назву елементи Пельтьє.

В основі будь-якого термоелектричного модуля лежить той факт, що різні провідники мають різні рівніЕнергія електронів. Інакше кажучи, один провідник можна як високоенергетичну область, другий провідник, як низкоэнергетическую область. При контакті двох струмопровідних матеріалів під час пропускання через них електричного струму електрону з низькоенергетичної області необхідно перейти у високоенергетичну область.

Цього не станеться, якщо електрон не набуде необхідної кількості енергії. У момент поглинання цієї енергії електроном відбувається охолодження місця контакту двох провідників. Якщо змінити напрямок перебігу струму, виникне, навпаки, ефект нагрівання місця контакту.

Можна використовувати будь-які провідникиАле цей ефект стає фізично помітним і значущим лише у разі використання напівпровідників. Наприклад, при контактуванні металів ефект Пельтьє настільки незначний, що практично непомітний на тлі омічного нагріву.

Термоелектричний модуль (ТЕМ), незалежно від свого розміру та місця застосування, складається з різної кількості, так званих термопар. Термопара - це та цегла, з яких будується будь-який ТЕМ. Вона складається з двох напівпровідників, що відрізняються типом провідності. Як відомо, існують два типи провідності p і n типу. Відповідно, існує і два типи напівпровідників. Два ці різнорідні елементи з'єднуються в термопарі за допомогою мідного містка. Як напівпровідники застосовують солі таких металів, як вісмут, телур, селен або сурма.

ТЕМ – сукупність подібних термопар, з'єднаних один з одним послідовно. Усі термопари розташовуються між двома керамічними пластинами. Пельта Пельтьє. Пластини виготовлені з нітриду чи оксиду алюмінію. Безпосередньо сама кількість термопар в одному елементі може змінюватись у дуже широких межах, від кількох штук, до кількох сотень чи тисяч.

Іншими словами, елементи Пельтьє можуть бути абсолютно будь-якої потужності, від сотих часток, до декількох сотень або тисяч ват. Постійний струмпослідовно проходить через усі термопари і в результаті верхня керамічна пластина охолоджується, а нижня, навпаки, гріється. Якщо змінити напрямок струму, то пластини зміняться місцями, верхня почне грітися, а нижня охолоджуватися.

У роботі елемента є одна особливість, яку активно використовують для посилення охолоджуючої ефективності цього пристосування. Як відомо, при пропусканні струму через елемент Пельтьє виникає різниця температур між поверхнею, що розігрівається і охолоджується поверхнею. Так от, якщо ту поверхню, що активно нагрівається піддати примусовому охолодженню. Наприклад, за допомогою спеціального кулера, це призведе до ще більш сильного охолодження поверхні, тобто тієї, що охолоджується. При цьому різниця температур із навколишнім повітрям може досягти кількох десятків градусів.

Гідності й недоліки

Як у будь-кого технічного пристрою, у термоелектричного модуля є свої переваги та свої недоліки:

Проблема підвищення ККДу ТЕМів упирається в нерозв'язну поки що технічну головоломку. Вільні електрони мають, по суті, подвійну природу, що на практиці проявляється і вони одночасно є переносниками як електричного струму, так і теплової енергії. Як наслідок, високоефективний елемент Пельтьє повинен бути виготовлений з матеріалу, що має одночасно дві взаємовиключні властивості. Матеріал цей повинен проводити електричний струм і погано проводити тепло. Поки що такого матеріалу не існує в природі, але вчені активно працюють у цьому напрямі.

Всі термоелектричні модулі мають відповідні технічні характеристики:

Застосування ТЕМів

Незважаючи на серйозний недолік властивий усім без винятку елементам Пельтьє, а саме дуже низький ККД, ці пристрої знайшли досить широке застосування як у науці та техніці, так і в побуті.

Термоелектричні модулі є важливими елементамиконструкції таких пристроїв, як:

Елемент Пельтьє в руках домашнього майстра

Потрібно відразу обмовитися, самостійне виготовлення термоелектричного елемента заняття щонайменше безглузде і нікому не потрібне. Якщо тільки той, хто виготовляє, не є учнем сьомого класу і не закріплює таким чином, отримані на уроках фізики, знання.

Набагато простіше купити новий термоелектричний елементу відповідному магазині. Благо коштують вони недорого і нестачі у виборі конкретної моделі не спостерігається. А крім того, що в них нема чому ламатися або зношуватися, будь-який термоелемент, знятий зі старого комп'ютера або автомобільного кондиціонера, не відрізнятиметься за своїми технічним характеристикамвід нового.

Найбільшою популярністю користується модель термоелемента: TEC1-12706. Розміри цього пристрою 40 на 40 мм. Складається він із 127 термопар, з'єднаних між собою послідовно. Розрахований на струм 5 А, при напрузі ланцюга 12 В. Коштує такий елемент в середньому від 200 до 300 рублів. Але можна знайти і за сто, або взагалі за так, якщо зняти зі старого комп'ютера або іншого непотрібного пристрою.

Виготовити за допомогою такого елемента можна, як мінімум два дуже цікаві та корисні в господарстві пристрої.

Як зробити холодильник своїми руками

Виробництво портативних холодильників, зокрема, для машин цілком ґрунтується на ефекті Пельтьє. Для виготовлення такого пристрою в домашніх умовах знадобиться:

• Термоелемент марки TEC1-12706. Коштує 200 рублів у найближчому магазині (спеціалізованому).
• Радіатор та вентилятор. Знімаються з старого комп'ютера, що відслужив своє.
• Контейнер. Будь-яка непотрібна ємність із пластику, металу або дерева. Зовні та зсередини така ємність обклеюється теплозберігаючими пластинами з пінопласту або пінополістиролу.

Термоелектричний модуль вбудовується у кришку контейнера. У цьому випадку надходження холоду буде згори донизу, що призведе до рівномірного охолодження ємності. Зсередини контейнера, в його кришку за допомогою термопасти та болтів кріплення прикріплюють радіатор.

Для того, щоб збільшити потужність майбутнього холодильного пристрою, можна збільшити кількість термоелементів, до двох-трьох і більше. У цьому випадку модулі приклеюються один до одного з дотриманням полярності. Іншими словами, гаряча сторона елемента, що лежить нижче контактує з холодною стороною вищележачого.

Зовні на кришку кріпиться ще один радіатор разом із комп'ютерним кулером. У місці кріплення радіаторів має бути хороша термоізоляція між холодною – внутрішньою та гарячою – зовнішньою сторонами. Необхідно дуже акуратно стягувати верхній та нижній радіатори кріпильними болтами, щоб не тріснули керамічні пластини, що розташовуються між ними термоелементів.

Електрика підключається за допомогою блока живлення, який можна взяти від старого комп'ютера.

Портативний термоелектрогенератор

Така міні-електростанція може дуже врятувати туриста або мисливця, коли в лісі сядуть батареї всіх електронних гаджетів. Дуже романтично в цій ситуації взяти кілька сухих трісок і шишок, розвести невелике багаття і з його допомогою зарядити акумулятори, а заодно і поїсти приготувати. Саме це дозволяє зробити портативний термогенератор, збудований на термоелементі.

Для будівництва цього диво-девайсу потрібна наявність портативної похідної пічки, що працює на будь-якому виді палива. У крайньому випадку згодиться навіть невелика свічка або пігулка сухого спирту.

У грубці розводять вогонь, а зовні за допомогою термопасти до неї кріпиться термоелектричний модуль. За допомогою дротів він підключається до перетворювача напруги.

Величина одержуваного струму безпосередньо залежатиме від різниці температур між холодною та гарячою сторонами термоелемента. Для ефективної роботинеобхідна різниця між холодною та гарячою поверхнею як мінімум у 100 градусів.

У цьому випадку слід розуміти, що максимальна температура обмежена температурою плавлення припою, за допомогою якого виготовлений сам модуль. Тому для таких пристроїв використовують спеціальні термомодулі, які виготовляють за допомогою спеціального тугоплавкого припою. У стандартних модулях температура плавлення припою становить 150 градусів. У тугоплавких модулях, припій починає плавитися при температурі 300 градусів.