Элемент Пельтье он же термоэлектрический модуль

Содержание
  1. Элемент Пельтье
  2. Что такое принцип Пельтье
  3. Устройство и принцип работы элемента Пельтье
  4. Технические характеристики элементов Пельтье
  5. Каким образом маркируются элементы Пельтье
  6. Области применения элементов Пельтье
  7. Мобильные холодильные установки, автохолодильники на элементах Пельтье
  8. Использование элемента Пельтье в качестве генератора
  9. Термоэлектрические модули, используемые в вычислительной технике
  10. Системы кондиционирования на термоэлектрических модулях
  11. Применение элементов Пельтье в кулерах
  12. Термоэлектрические модули Пельтье в осушителях воздуха
  13. Подключение термоэлектрического модуля
  14. Проверка элемента Пельтье
  15. Сборка элемента Пельтье собственными силами
  16. Элемент Пельтье своими руками посредством диодов
  17. Модуль (пластина) Пельтье — что это…Способы применения
  18. Alex_EXE
  19. Элементы Пельтье для охлаждения компьютера (часть 1, теория и замеры эффективности)
  20. Что из себя представляют модули Пельтье и как они работают?
  21. Недостатки элементов Пельтье
  22. Достоинства элементов Пельтье
  23. Практическая часть. Особенности конструкции
  24. Холодный контур
  25. Горячий контур
  26. Тестовая реализация
  27. Практические тесты, задачи и методика
  28. Практические тесты, результаты
  29. Выводы
  30. Энергоэффективность модулей Пельтье
  31. Анализ масштабируемости
  32. Итоги
  33. Термоэлектрические модули Пельтье

Элемент Пельтье

Элемент Пельтье он же термоэлектрический модуль

В настоящий момент сложно найти человека, не пользующегося теми или иными видами холодильного оборудования, будь то стационарный холодильник, имеющийся на кухне практически у каждого или же переносной вариант сумки, в которой можно безбоязненно хранить и переносить продукты без опасения их порчи. И хотя обычный холодильник и сумка, сохраняющая холод, выполняют одни и те же функции, их устройство имеет принципиальные отличия.

Обычные стационарные холодильники, широко распространенные как в квартирах, так и частных домах, имеют охлаждающую систему на основе циркуляции хладагента от испарителя к конденсатору и обратно и оснащены одним или двумя компрессорами.

В отличие от стандартной конструкции, работа сумки-холодильника основывается на совершенно иных принципах, в них отсутствуют как основные элементы, так и фреон, обеспечивающий отбор тепла. В сумках-холодильниках процесс охлаждения базируется на принципе работы элемента Пельтье, который и обеспечивает требуемое охлаждение.

Данный элемент возможно собрать своими руками, для чего следует более подробно остановиться на принципе его работы и основных характеристиках.

Что такое принцип Пельтье

Данный принцип был открыт почти 200 лет назад французом Жаном Пельтье, который обнаружил, что при протекании I по разнородным проводам происходит процесс выделения тепла, а при смене полярности – охлаждения, при этом наибольшее проявление подобного эффекта наблюдалось у полупроводниковых материалов. Причем тогда же была замечена обратимость процесса, при которой при возможности поддержании разных температур на проводах в месте контакта, в них фиксировалось появление электрического тока. Данный эффект также был очень важен и получил название эффекта Зеебека.

Чтобы попытаться объяснить данный эффект с точки зрения физики процесса, необходимо обратиться к классической теории электротехники и движению электротока в зависимости от разности потенциалов.

При прикосновении двух разнородных проводов неизбежно возникает разность потенциалов U, создающая определенное поле.

Таким образом, если по проводу пропустить I, то созданное разностью U поле будет или способствовать протеканию тока, или являться препятствием к этому.

Если полярность поля и тока противоположны, то необходимо найти дополнительную энергию, способствующую протеканию I, за счет чего контакт будет греться. Если поле и I однонаправлены, то ток поддерживается самим полем.

Для этого требуется энергия, забираемая у вещества, что и вызывает охлаждение контакта.

Таким образом, то количество тепла, которое выделяется или забирается при прохождении I, будет прямо пропорционально величине заряда, проходящего через место соединения проводников и рассчитывается как произведение I на время его прохождения.

Данное произведение называется коэффициентом Пельтье, величина которого зависит от материала и температур проводников, соприкасающихся между собой.

Если ранее эффект Пельтье не нашел себе широкого применения за неимением необходимых материалов, то на сегодняшний день, с учетом развития новых технологий, найдены типы проводников, которые способны обеспечить максимальный термоэлектрический эффект.

Устройство и принцип работы элемента Пельтье

Для того, чтобы получить максимальный эффект понижения температуры, применяется соединение термоэлементов в виде каскадов. Благодаря подобному устройству, на выходе стало возможным получить максимально низкую температуру и значительно увеличить саму эффективность охлаждения.

Для того, чтобы повысить холодопроводность не прибегая к значительному увеличению I, все элементы Пельтье соединяются последовательно в устройство, получившее название батареи.

Таким образом, нынешний модуль состоит из двух пластин, выполненных из керамики и играющих роль изоляторов, между которыми расположены термопары, соединенные последовательным образом.

При этом, расположение элементов в подобной батарее осуществляется следующим образом:

  • Нижняя, горячая сторона.
  • Верхняя, холодная сторона.
  • Полупроводники, функционирующие на основе n-перехода.
  • Полупроводники, функционирующие на основе p-перехода.
  • Проводники из меди.
  • Клеммы (контакты), служащие для присоединения к ИП (источнику питания).

Здесь p-n переходом (positive-negative) принято считать электронно-дырочный переход в месте соединения полупроводников n (носители зарядов – электроны) и p типа (дырки с положительным зарядом, возникающие в процессе отрыва электрона от атома).

При p-n возникает переход от одного вида проводимости к другому.

В зависимости от расположения, каждая из сторон (горячая или холодная) имеет контакт только с переходом p-n либо n-p.

При этом осуществляются следующие функции:

  • p-n – нагрев.
  • n-p – охлаждение.

Благодаря переносу Q с одной стороны батареи на другую, между ними возникает дельта температур (DT). Как уже было сказано выше, если изменить полярность, то горячая и холодная поверхности просто поменяются местами.

На данном рисунке холодная сторона батареи обозначена как B (синим цветом), горячая – как А (красным цветом соответственно).

Технические характеристики элементов Пельтье

Всем термоэлектрическим модулям с элементом Пельтье присущи следующие характеристики:

  • Qmax (холодопроизводительность) – представляет собой максимально допустимый I и разницу T двух сторон батареи. Единица измерения – Ватты. Принято считать, что количество тепловой Q, поступающей на холодную стороны, передается на горячую мгновенно, с нулевыми потерями.
  • DTmax – максимум перепада температур между пластинами, измеряется в градусах. При этом, данный параметр учитывается при идеальных условиях работы: горячая сторона — 27C, холодная – отдача тепла равна нулю.
  • Imax – максимальный I, необходимый для обеспечения DTmax, измеряется в Амперах.
  • Umax – величина напряжения, которая будет иметь место при Imax и DTmax (измеряется в Вольтах).
  • Resistance – внутреннее R модуля по постоянному току DC, измеряется в Омах.
  • COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, представляющий собой отношение Q охлаждения к Q, которое потребляет весь элемент и представляет собой не что иное, как КПД, при этом его величина колеблется от 0,3 до 0,5.

Каким образом маркируются элементы Пельтье

При маркировке подобных термоэлементов всегда используют стандартные обозначения, а именно:

  • Две первые буквы означают непосредственно тип элемента, а именно – ТЕ – термоэлемент.
  • Третья буква относится к размеру модуля и может быть выполнена в двух вариантах:
    • С – classic, стандартный размер термоэлемента.
    • S – small, маленький размер.
  • Далее следует числовое значение, отражающее количество каскадов в ТЕ. Как правило, большинство из них относятся к однокаскадным.
  • После тире следует число, означающее количество термопар внутри ТЕ.
  • Последняя цифра – номинальное значение I (Амперы).

Иногда в маркировку после всех цифр добавляется значение, относящееся к размерам модуля.

Пример маркировки: ТЕС1-12706-40 (40х40 мм).

Области применения элементов Пельтье

Хотя все подобные батареи, основанные на элементах Пельтье, имеют COP, равный 0,3-0,5, что фактически соответствует его КПД, они активно применяются в измерительных системах, разного рода вычислительной технике, а также как элемент многих бытовых приборов, а именно:

  • Как составляющие холодильных устройств (мобильных автохолодильниках).
  • В вычислительной технике, в видеокартах.
  • В бытовых кулерах для воды.
  • Как генератор электроэнергии, при этом одна из сторон элемента должна принудительно нагреваться.
  • Во всех видах цифровых устройств, где крайне важно качественное охлаждение (видеокамеры, микросхемы, приборы для осуществления связи).
  • В системах кондиционирования.
  • Для телескопической техники, которой необходимо охлаждение.
  • Как составляющий элемент приборов ночного видения.

Некоторые примеры применения модулей на элементах Пельтье будут рассмотрены ниже.

Мобильные холодильные установки, автохолодильники на элементах Пельтье

Несмотря на то, что степень охлаждения, реализуемая с помощью элементов Пельтье, сильно уступает холодильникам компрессорного и абсорбционного типа, они активно применяются в качестве мобильных установок охлаждения, так как имеют следующие преимущества:

  • Простота конструктивного исполнения.
  • Нечувствительность к различному роду вибраций.
  • Наличие только статических деталей (исключение составляет система вентиляции, обеспечивающая охлаждение радиатора).
  • Бесшумность работы.
  • Компактность всего холодильника.
  • Отсутствие необходимости выравнивания всего устройства относительно одной, определенной поверхности.
  • Длительность эксплуатации без потери всех своих основных качеств.
  • Экономичность энергопотребления.

Учитывая все вышесказанное, холодильники на элементам Пельтье идеально подходят как мобильные устройства.

Использование элемента Пельтье в качестве генератора

Как уже указывалось выше, термоэлектрические батареи могут быть использованы как генераторы электроэнергии при условии, что температуру одной из сторон необходимо повышать.

Согласно эффекту Зеебека, при увеличении DT сторон модуля, будет также увеличиваться протекаемый I. Однако, максимально повышать DTmax не представляется возможным, так как слишком высокий уровень температур приведет к расплавлению припоя, что послужит причиной поломки всего устройства (стандартная максимальная температура нагрева обычных термоэлектрических модулей не превышает 150C).

Данную проблему частично можно решить при помощи тугоплавких припоев, которые допускают Т нагрева до 300C. С учетом низкого COP, подобные конструкции применимы лишь в тех случаях, когда использование более эффективных генераторов не представляется возможным, а именно как и в случае с холодильником, для мобильных устройств.

Подобные термогенераторы с мощностью от 25 до 10 Вт прекрасно подойдут жителям отдаленных мест, в длительных походах или при проведении геологоразведочных работ.

Более мощные генераторы уже используют в качестве стационарных устройств и применяют для запитки ГРУ, приборов метеостанций и подобных установок.

Термоэлектрические модули, используемые в вычислительной технике

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

Однако, рентабельность подобного применения батарей на элементах Пельтье достаточно мала по следующим причинам:

  1. Так как за счет небольшого значения коэффициента COP для эффективного охлаждения требуется запитывать устройство от достаточно мощного блока питания, это экономически невыгодно.
  2. Процессор в компьютере греется именно в тех случаях, когда ему приходится обрабатывать большой объем информации, в случаях, когда запущены или работают одновременно несколько программ. В ситуациях, когда компьютер просто включен или, к примеру, экран находится в спящем режиме, термоэлектрический модуль способен понизить температуру процессора до точки росы, при которой в любом случае начнется выпадение конденсата. А любая повышенная влажность, как известно, крайне губительна для электроники.

Однако, при использовании гибридных систем охлаждения, при которых термоэлектрические модули работают совместно с другими видами, используемыми для понижения температуры, применение батарей на элементах Пельтье считается оправданным.

Системы кондиционирования на термоэлектрических модулях

Согласно принципу действия, охлаждение при помощи термомодулей на элементах Пельтье вполне способно заменить мобильные системы климат-контроля в автомобилях. Однако, принимая во внимание низкий коэффициент COP, для понижения температуры в салоне автомобиля потребуется значительно большее количество электроэнергии, что экономически не рентабельно.

С учетом того, что подобная автомобильная система климат-контроля будет запитываться от установленного в машине генератора, его мощности будет явно недостаточно, потребуется установка другого, более мощного агрегата. Однако с заменой штатного генератора на более мощный значительно вырастет расход бензина, что вряд ли устроит любого автомобилиста.

Таким образом, применение охладителя на основе элементов Пельтье для систем кондиционирования в настоящее время не нашло должного применения.

Применение элементов Пельтье в кулерах

Во многих моделях современных кулеров, устанавливаемых в различных помещениях, охлаждение воды происходит посредством термоэлектрического модуля.

При этом, конструкция всего устройства оказывается значительно проще и надежнее устройств компрессорного типа, и включает в себя следующие элементы:

  • Непосредственно модуль охлаждения на термоэлектрических элементах.
  • Управляющий контроллер.
  • Термостат.
  • Нагревательный элемент.

Несмотря на то, что подобная схема выполнения диспенсеров для воды применяется повсеместно, она также имеет свои недостатки:

  • Минимальная температура холодной воды составляет всего лишь 10-12°C.
  • Длительное время понижения температуры до требуемых величин.
  • Данный вид кулера реагирует на температуру окружающей среды, при этом при повышенной Т в помещении он не сможет охладить воду до требуемого уровня.
  • С учетом того, что в конструкции модуля присутствует вентилятор, его нельзя устанавливать в промышленных цехах с высоким уровнем пыли, так как это приведет к поломке последнего.

Термоэлектрические модули Пельтье в осушителях воздуха

Если в кондиционерах применение охлаждающих модулей на элементах Пельтье не рентабельно, то в компактных осушителях воздуха они нашли широкое применение, так как способны понижать температуру до точки росы. При этом происходит выпадение конденсата на специально предназначенном для этого элементе, который затем стекает в резервуар.

Даже несмотря на то, что СОР устройства (КПД) очень невелик, его достаточно, чтобы использовать подобный прибор в качестве осушителя воздуха для небольших помещений.

Подключение термоэлектрического модуля

Подключение модуля на элементах Пельтье не представляет собой никаких сложностей, так как для этого на два выходящих конца достаточно подать U DC с источника питания ИП. При этом стоит обратить внимание на номинальное напряжение, указанное в техпаспорте.

На красный конец провода подается «+», на черный – «-».

Как уже указывалось выше, при ошибочном подключении начинает нагреваться другая поверхность.

Проверка элемента Пельтье

С учетом того, что термоэлектрический модуль должен нагреваться с одной стороны и охлаждаться с другой, самый простой вариант протестировать данное устройство – подать на него необходимое напряжение с ИП. При этом, одна сторона у него станет теплой, а вторая – холодной.

При отсутствии ИП, можно провести проверку подручными средствами, а именно:

  • Взять обычный мультиметр и подключить его клеммы к выводам термоэлектрического модуля.
  • Зажечь пламя от спички или зажигалки и поднести к одной из пластин, прогрев ее.
  • Так как согласно закону Зеебека, разница температур вызовет протекание I, это отразится на экране прибора.

Важно! Шкала показаний мультиметра должна быть выставлена на замер показаний по току.

Сборка элемента Пельтье собственными силами

Для тех, кто желает изготовить элемент Пельтье дома, своими руками, стоит отметить, что это практически невозможно. Подобные термоэлектрические модули легко можно приобрести в соответствующих магазинах радиодеталей, а их стоимость настолько невысока, что собирать его вручную становится просто невыгодным.

Однако некоторые из подобных устройств на основе элемента Пельтье можно попробовать собрать самостоятельно. К примеру, портативный генератор на термоэлектрическом модуле сможет пригодиться в походах, поездках или долгих путешествиях.

Для сборки генератора понадобится элемент ИМС L6920:

Как видно из указанной схемы при входном U от 0,8 до 5,5В на выходных клеммах будет присутствовать U=5В. При использовании термоэлектрического модуля, можно ограничить его Т посредством применения походного котелка с кипятком, за счет чего по закону Зеебека на выходе пойдет ток, что и обеспечит имеющееся напряжение в 5 В.

Элемент Пельтье своими руками посредством диодов

Теоретически изготовить подобный элемент Пельтье на диодах вполне возможно.

С учетом того, что с физической точки зрения работа термоэлектрического модуля заключается в разности проводимостей материалов p-n и n-p, то можно использовать обычные диоды, которые таковыми и являются. Однако, если данная схема будет работать при нагреве, то понизить температуру посредством диодов не представляется возможным.

Диоды можно использовать как датчик температуры, причем при включении их в цепь в обратном направлении переход откроется, в результате чего I также пойдет в обратном направлении. Однако работать в качестве генератора данная схема не сможет.

Таким образом, посредством элемента Пельтье можно осуществить сборку различных компактных приборов, что будет являться наиболее доступным и дешевым вариантом.

Оригинал: http://library.espec.ws/section6/article135.html

Модуль (пластина) Пельтье — что это…Способы применения

Элемент Пельтье он же термоэлектрический модуль

Модуль Пельтье можно использовать в 4 разных схемах: как нагревательный элемент (в инкубаторах…), как охлаждающий элемент (в холодильниках…), получать электричество (генератор…), а так же с помощью элемента Пельтье можно получать воду.

Об этом и будет моя статья

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Принцип действия

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости.

При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников.

При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек.

Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой.

Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n).

Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей.

При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.

Также достоинством являются отсутствие механических частей и отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение теоретически очень большой разницы температур, более 70 градусов по цельсию, в связи с этим лучше использовать импульсный метод регулирования температуры, благодаря которому можно снизить также потребление энергии. При этом желательно сглаживать пульсации тока для продления срока службы элемента Пельтье.

Применение термоэлектрического модуля: в куллерах для воды, системах охлаждения компьютеров или микросхем различных малогабаритных приборов,в электрических термогенераторах,охлаждение видеокарт, северных или южных мостов, автомобильные холодильники, охладители воздуха, Arduino, для охлаждение ПЗС матриц и инфрокрасных фотоприемников, в электрических термогенераторах, в термостатах, в научных лаболаторных приборов, термокалибраторов, термостабилизаторов. В общем там где требуется достижения перепадов температур более 60 градусов.

Размеры пластин Пельтье и характеристики потребления

Размеры пластин Пельтье и характеристики потребления (потребляемая мощность, напряжение, сила тока, максимальная разница температур).

Маркировки этих термоэлектрических генераторов могут быть на разных сайтах разные, все зависит от производителя (например: TEG1-241-1.4-1.2; СР1.4-127-06L отечественные; TB-127-1.4-1.5 Frost-72; SP1848-27145; термогенератор Зеебека TEP1-142T300).

Характеристики, в свою очередь будут не сильно отличаться, но некоторые показатели не значительно разнятся.

Qmax Umax Imax dTmax Размеры,(мм)
(Вт) (В) (A) (град) A B H
36,0 16,1 3,6 71 30,0 30,0 3,6
36,0 16,1 3,6 71 40,0 40,0 3,6
62,0 16,3 6,2 72 40,0 40,0 3,9
65,0 16,7 6,3 74 40,0 40,0 3,9
80,0 16,1 8,0 71 40,0 40,0 3,4
80,0 16,1 8,0 71 48,0 48,0 3,4
94,0 24,9 6,1 70 40,0 40,0 3,9
115,0 24,6 7,6 69 40,0 40,0 3,6
120,0 24,6 7,9 69 40,0 40,0 3,4
131,0 24,6 8,6 69 40,0 40,0 3,3
172,0 24,6 11,3 69 40,0 40,0 3,2
156,0 15,7 16,1 70 48,0 48,0 3,4
223,0 15,5 23,4 68 55,0 59,0 3,3
310,0 24,6 20,6 69 62,0 62,0 3,2

USB Холодильник своими руками (Модуль Пельтье)

Для постройки нашего мини-холодильника нам необходимо найти или купить элемент Пельтье (что это такое и как работает Вы сможете прочитать ниже) и два радиатора.

Вот этот самый элемент Пельтье, я выдрал его из сломанного компа, он там стоял между процессором и кулером. Счистил с него старую термопасту.

В двух словах — этот элемент Пельтье при подаче на него постоянного тока начинает работать следующим образом: одна сторона у него начинает греться, а вторая — охлаждаться, если поменять полярность источника питания, то стороны элемента будут вести себя наоборот!

Далее я взял два массивных радиатора от ненужного усилка. Потом смазал элемент новой термопастой, которую купил в радио магазине, и зажал элемент Пельтье между радиаторов.

Использование термопасты в данном случае обязательно!
Подключил провода к элементу от USB кабеля и воткнул в комп — одна радиатор начал греться, а второй — охлаждаться! Значит, всё пучком!

Далее я склеил вот такой интересный корпус.

Материал, из которого я склеил холодильник, похож на прессованный пенопласт или пористый пластик. В общем, материал может быть любым, его главное качество термоизоляция.
Стекло — органическое, выглядит довольно хрупко, но на самом деле материал прочный.

Клей — суперклей.

Потом для удобства сделал застёжку на магнитиках.
Получилось нормально — туда спокойно влезает бутылка минералки.

Генератор — получение электричества с помощью элемента Пельтье

Плюсы этого генератора:

— Топливо – всё что горит или греет.
— Выход USB 5 Вольт, 500mA.
— Не зависит от солнца, ветра и т.д.
— Простая и крепкая конструкция, которая может служить вечно.
— Можно готовить на нем еду, пока ваш телефон заряжается.
— Универсальность.
— Может собрать любой у себя дома за 1 вечер (даже работник АвтоВАЗа=)).

— Дешевизна конструкции.

Изобрел не я, есть коммерческие экземпляры, которые на много лучше моего. Например, BioLite CampStove, его цена 7900 руб. Мой экземпляр сделан на скорую руку для написания этой статьи и дальнейших экспериментов.

Основой является элемент Пельтье. Это термоэлектрический модуль, используемый в кулерах для воды и переносных холодильниках, так же его применяют для охлаждения процессора. При подаче на него напряжения, одна сторона охлаждается, а другая нагревается. Мы же наоборот будем греть одну сторону, чтобы получить электричество.

Главный принцип в том чтобы одна сторона нагревалась, а другая оставалась неизменной, для максимальной эффективности нужен перепад температур в 100 градусов по Цельсию.

Приступим!

Нам понадобится:
— Элемент Пельтье, я использовал TEC1-12710
— Не нужный блок питания от компа
Любой, даже тот, который сгорел, и выгорело всё кроме корпуса
— Стабилизатор напряжения
DC-DC Boost Module, Входное напряжение 1-5 Вольт, на выходе всегда 5В.
— Радиатор (чем больше, тем лучше), желательно с кулером на 5В, т.к. радиатор будет постепенно нагреваться. Зимой это не грозит, так как можно поставить радиатор на лед.
— Термопаста

— Набор инструментов

Модуль TEC1-12710, рассчитан на 10 А (есть меньше, есть больше). Но более мощные будут большего размера. Чем больше сила тока, тем он эффективней и дороже. Я купил в алиэкспресс примерно за 250 руб. У нас в магазинах электроники такой стоит около 1500 руб.

Модуль рассчитан на максимальное напряжение 12В, но столько он не выдает из-за низкого КПД, когда мы используем его в обратном направлении, т.е. на получение тока.

Для того чтобы было стабильно 5 вольт и устройства заряжались безопасно, нужен повышающий стабилизатор. Он начинает выдавать 5 Вольт, когда на элементе Пельтье еще только 1. О том, что всё готово к зарядке, можно узнать по горящему светодиоду на модуле.

Можете собрать свой, я же решил довериться китайцам, они предлагают готовый модуль с USB выходом, за 80 руб. на том же сайте.

Распотрошим наш блок питания. Мне пришлось сделать дополнительные дырки для лучшей циркуляции воздуха (блок питания попался очень уж древний).

Главный принцип в том, чтобы воздух засасывало снизу, и выходил он через верх. Проще говоря, нужно сделать обычную печку. Не забудьте предусмотреть отверстие для подкидывания щепок и подставку под котелок или кружку для кипячения воды, если вам это нужно.

Далее к ровной стенке нужно прикрепить модуль Пельтье с радиатором, предварительно равномерно нанеся термопасту. Чем плотнее контакт, тем лучше. Та сторона, где написана модель – холодная, именно к ней мы прикладываем радиатор.

Если вы перепутали, модуль не будет выдавать напряжение, в этом случае нужно просто поменять провода местами.

Припаиваем повышающий преобразователь, и находим, куда его спрятать. Можно вообще оставить его висеть на проводах, но обязательно нужно заизолировать, например, одеть на него термоусадку.

Собираем всё вместе.

Вот что должно получиться:

Как это работает?

Закидываем внутрь ветки, щепки, в общем, всё то, что горит. Затем разжигаем. Огонь нагревает стенки печки и элемент Пельтье, который на одной из этих стенок. Другая сторона элемента, которая на радиаторе, остается при уличной температуре. Чем больше разница температур, тем больше мощность, но не переборщите.

Максимальная эффективность достигается уже при разнице в 100 градусов. Со временем радиатор начинает нагреваться, и его нужно будет охлаждать. Можно подбрасывать снег, поливать водой, поставить радиатором на лед или в воду, поставить на него кружку с холодной водой.

Вариантов много, самый простой это кулер, он будет забирать часть мощности, но за счет охлаждения общий результат не измениться.

НЕ допускайте воздействие больших температур на элемент, он может перегореть и сгореть.

В документации указана максимальная температура 180 °С, но особо беспокоится не стоит, с хорошим охлаждением и на простых дровах ничего с ним не будет.

Если вы не будете ленится и всё правильно сделаете, то получите вот такую простую щепочницу на которой можно подогревать еду, кипятить, воду и одновременно заряжать свои гаджеты.

Её можно использовать дома, если отключили электричество, поставив внутрь свечку. Кстати если подключить к ней светодиоды, но свет будет на много ярче чем от самой свечки.

В любом месте где можно найти что-то горящее, у вас будет электричество, тепло и возможность удобно готовить еду, расходуя меньше горючего по сравнению с костром.

Первые испытания!

Пошел после работы в лес, солнце почти село, хворост мокрый, но печь оправдала себя на 100%.

Результат превзошёл все мои ожидания. Сразу после разгорания щепок, загорелся индикатор, я подключи телефон и он начал заряжаться. Зарядка шла стабильно.

Преобразователь вообще не напрягался. Еще я брал с собой охлаждающую подставку для ноутбука, на ней 2 кулера и светодиоды, должно прилично потреблять. Подключил, всё крутится, светится, ветерок дует. Брал еще USB вентилятор, подключил в конце, когда остались одни угли. Всё отлично крутится, даже не знаю что еще можно попробовать.

Результат:

Всё прекрасно работает выдает свои пол Ампера. Все таки нужен кулер, т.к. за пол часа радиатор нагрелся порядка 40 градусов, летом это будет еще больше. Пускай крутиться себе.

Языки пламени вырываются высоко вверх, мне лично такого костра не надо, буду закрывать часть отверстий, чтобы горело медленней.

Буду делать все по новой, возьму за основу стандартную щепочницу которую делают из консервных банок, но сделаю из метала потолще и прямоугольной формы. Куплю хороший радиатор с кулером подходящей формы и постараюсь сделать разборный вариант, чтобы при переноске занимало меньше места.

Получение питьевой воды с помощью модуля Пельтье

Оригинал: http://razvivaisya-vsegda.ru/moduly-pelytye-tchto-to-sposob-primeneniya/

Alex_EXE

Элемент Пельтье он же термоэлектрический модуль

Элемент пельтье – термоэлектрический преобразователь (ТЭМ), который может преобразовывать электрическую энергию в разность температур: одна сторона нагревается, вторая охлаждается, или может выполнять обратную задачу по преобразованию этой разницы в электричество.

Различные элементы пельтье

Недавно был в гостях у друга, работает в фирме Радиоэлектроника. Он мне показал набор модулей пельтье, пару из них взял домой потестровать. В этой статье расскажу вам об этих модулях поподробнее и немного что это за эффект пельтье. В следующей статье расскажу, каким испытание были подвергнуты эти два модуля.

Принцип действия

В начале статьи сказав, что одна сторона охлаждается, а вторая нагревается – я был немного не прав, на самом деле элемент пельтье перекачивает тепло с холодной стороны на тёплую, т.е. работает как тепловой насос.

Таким образом, на его пластинах достигается разность температур, которая может доходить до 70 градусов, но, к сожалению, такую разность могут обеспечить только многоступенчатые модули, у одноступенчатых разность в среднем может достигать 20-40 градусов.

В основе этого элемента лежит множество пар контактов двух разных материалов с различными уровнями энергии электронов в зоне проводимости.

С одной стороны электронам нужно перейти в более высокоэнергетическую зону, для этого они начинают поглощать тепловую энергию – следовательно, та сторона охлаждается.

С другой стороны им нужно из этой высокоэнергетической зоны выйти, где электроны возвращают ранее взятую тепловую энергию – сторона нагревается. Так же тепло выделяется из-за прохождения электрического тока. Наиболее сильный перепад температур достигается при использование полупроводников.

По бокам такого модуля расположены изоляторы, обычно из керамики, причём возможна металлизация, для припаивания этих элементов между радиатором и охлаждаемым элементом.

Модули пельтье бывают как одноступенчатыми, так и много ступенчатыми для достижения более низких температур или более качественного отвода тепла.

К сожалению обладают низким КПД, но позволяют без особого труда получить температуру равную 0°С и ниже при малых габаритах.

Применение

В качестве охладителя или нагревателя:

  • Данные модули применяются в портативных автомобильных холодильниках, где нужно небольшая охлаждающая мощность и есть достаточно мощный источник энергии, так же можно их встретить в USB холодильничках банок газированного напитка.
  • В автомобильных кондиционерах.
  • Кулеры питьевой воды.
  • Некоторые оверклокеры применяют их, совместно с мощными куллерами, для более эффективного охлаждения процессоров.
  • В специализированной и качественной оптической технике. Приборы ночного видения, для охлаждения стекол и корпуса, что бы не было ИК засветки от самого прибора. Для охлаждения приборов с зарядовой связью – снижение помех и шумов в камерах.
  • В уличных шкафах электрооборудования для удаления конденсата.
  • Охлаждение и термостабилизация диодных лазеров.

В качестве генераторов электроэнергии:

  • Портативные (походные) генераторы энергии.
  • В душевых кабинах для питания подсветки и радиоприёмников.

Обзор модулей

В статье рассмотрены наши отечественные модули с Санкт-Петербуржского завода Криотерм. Завод их выпускает различной конфигурации и под различные задачи. Стоит отметить несколько их главных отличий.

  • Назначение: промышленное и бытовое применение, генераторные, для РЭА…
  • Форма корпуса и количество каскадов.
  • Максимальная температура, различается от типа применения и применённого припоя, бывают до 80, 120, 150, 200 градусов Цельсия. При превышении температуры срок жизни модуля сильно сократиться, а при значительном перегреве припой расплавиться и элемент выйдет из строя.

Посмотрим на некоторые модули поближе:

Однокаскадный, герметичный TB-127-1,4-1,5

Два маленьких модуля TB35-0.6-0.8 и TB109-0.6-0.

8

Малый двухуровневый модуль TB-2-(59-18)-1,5

Большой 4-х уровневый модуль TB4-(127-71-31-17)-1.

66

Чем то смахивает на загадочную пирамиду Мая или зиккурат 🙂 .

К сожалению цены на наши модули кусаются, начинаются с 900 рублей, приведу несколько примеров:

Однокаскадный модуль TB-127-1,4-1,5 60Вт 40х40мм стоит от 1100р.
Двухкаскадный TB-2-(59-18)-1,5 1,8Вт 12х12мм стоит от 3100р.

В Китае модуль подобный первому можно приобрести за 5$.

При тестах смог получить разность температур в 30 градусов, а в режиме генерации 66 мВт, подробнее читайте в следующих статьях: элемент пельтье, режим теплового насоса и элемент пельтье, режим электрогенератора.

Благодарность за предоставленные модули фирме – Радиоэлектроника.

Alex_EXE | 17.08.

2011 | Разное |

Оригинал: https://alex-exe.ru/radio/different-radio/peltier/

Элементы Пельтье для охлаждения компьютера (часть 1, теория и замеры эффективности)

Элемент Пельтье он же термоэлектрический модуль

К практике предлагаю перейти чуть позже, так как надо вообще вначале определиться, что могут и что не могут элементы пельтье и зачем они нужны.

Допустим есть у вас некоторый процессор, вы в силу желаний улучшения производительности или спортивного интереса начинаете его разгонять и рано или поздно сталкиваетесь с вопросом перегрева процессора. Вы покупаете более производительный кулер, температуры немного снижаются.

Вы ставите ещё более производительное охлаждение, температуры ещё чуть-чуть падают.

Вы переходите на водяное охлаждение с большим радиатором и температуры падают ещё на пару градусов, потом вы заменяете большой радиатор на 4 радиатора от грузовиков, которые могут рассеять сотню киловатт тепла и получаете ещё выгоду в пол градуса и начинаете подозревать, что вы делаете что-то не так.

Условное изображение графика снижения температур от улучшения охлаждения

Всякие жидкие металлы скальпирования и прочие действия помогут сдвинуть все эти графики вниз на какое-то количество градусов, но суть — не изменится.

Условный график скорректированный для случая минимальных градиентов при передачи тепла от процессора

Проблема тут в том, что мы производим охлаждение относительно температуры воздуха. И не важно обдуваем мы радиатор установленный на процессоре или радиатор к которому подаётся тепло через жидкость.

И чтобы мы не обдували воздухом комнатной температуры — рано или поздно мы придём к теоретически наименьшей температуре, которая нас может не устраивать.

Конечно другой вопрос, что если процессор выделяет 50 ватт тепла то мы придём к этой температуре на маленьком радиаторе, а если 300 Ватт, то на большом, но суть в том, что предел есть и для процессоров он наступает очень быстро.

Выход из этой ситуации остаётся только один — в качестве среды использовать что-то, что холоднее комнатного воздуха, иначе никак.

И тут есть разные способы. Самый технологически простой — холодная проточная вода.

Есть ещё малозатратные способы — поместить компьютер в холодильник и на обычном кулере вы получите температуры ниже, чем на 4-х радиаторах охлаждения от грузовиков.

Компьютер в холодильнике

Логичным продолжением данной идея стало избавление от холодильника, а использование только самого принципа работы, а именно то, что можно взять некий газ с низкой температурой кипения и заставлять его вскипать там где нам нужно и вскипая он будет забирать тепло.

Проблем в данном решении несколько. Во первых — использование фреона, и опасности связанные с работой с ним, а так же тот факт что одна из частей контура с фреоном находится под высоким давлением. Вторая проблема — шум компрессора, который и обеспечивает нам то самое давление.

Ну и третья — технологически это сложная система состоящая из множества собранных друг с другом элементов.

Но зато можно получить целый холодильник который работает не на большую камеру, а на кусок меди который прижат к крышке процессора и этот кусок меди может быть на градусов 60 холоднее окружающего воздуха, что существенно решает вопрос ограничения комнатными температурами, но одновременно с этим создаёт проблемы с конденсатом, так как в жилых помещениях в зависимости от влажности и температуры точка росы составляет от 5 до 20 градусов. Вдобавок данные системы практически неуправляемые, то есть работать в полсилы не могут и мощность отвода тепла закладывается при проектировании самой системы.

Ну и третий глобальный метод отводить тепло относительно более холодной среды — использование модулей Пельтье, о чём далее и будет идти речь.

Что из себя представляют модули Пельтье и как они работают?

Модули Пельтье являются сборками из множества пар полупроводниковых сборок в которых при протекании тока один из элементов каждый пары берет из окружающей среды энергию для перевода электронов в более возбуждённые состояния. То есть при подаче питания начинается охлаждение элемента.

Но не всё так радужно. Дело в том, что в силу своей конструкции и используемых материалов элементы Пельтье далеки от идеальных проводников тока, а значит греются просто от внутреннего сопротивления.

И это крайне печально, потому что для энергии перехода электронов годиться и тепло от собственного нагрева. То есть если не отводить тепло от нагрева при протекании тока, то элемент Пельтье будет просто очень быстро разогреваться до тех пор пока не выйдет из строя.

Поэтому пары полупроводников собирают в упорядоченном порядке, так чтобы «высасывание» тепла было с одной из сторон, ну а нагрев есть, к сожалению, во всём объёме. Таким образом мы получаем виртуально существенно более холодную среду, нежели комнатный воздух.

Чем, естественно, можно воспользоваться для получения более низких температур процессора.

Недостатки элементов Пельтье

Во первых элементу Пельтье требуется не бесконечное количество тепла для работы. То есть если подать слишком большой тепловой поток, то элемент Пельтье просто начнёт греться и будет нагреваться до тех пор пока не выйдет из строя.

Вторая проблема — это закон сохранения энергии. И холод, как и тень от света — это не некая отрицательная энергия — а её отсутствие в том или ином месте или меньшее её количество в сравнении с окружающим пространством.

То есть тепло процессора и холод элемента пельтье не аннигилируют друг с другом.

Та энергия, что нужна была для перевода электронов тоже превращается потом в тепловую и её тоже надо отводить вместе с нагревом от электрического сопротивления.

Вкупе с самим нагревом от сопротивления выходит две вещи. Во первых элементы Петльте надо очень хорошо охлаждать, а иначе они перегреются и выйдут из строя, а во вторых у них крайне низкий КПД.

Вернее КПД у них близок к 0.

С точки зрения электричества — это нагреватель с интересными особенностями работы, но если считать за работу не сам перенос тепла, а количество переносимого тепла, то некое подобие КПД у этой вещи появляется.

Возвращаясь к элементам Пельте их можно купить и у нас, и вроде как они получше и число полупроводниковых блоков у них на одну и ту же площадь выше, но стоят они чуть ли не в десять раз дороже китайских.

Китайские элементы Пельтье называются TEC1, далее указывается число пар полупроводников, для типоразмера 40 на 40 мм это 127 пар и далее указывается ток в Амперах.

Чем выше ток — тем больше тепла элемент перетаскивает с одной стороны своего корпуса на другую. Я купил 15 Амперные модули.

Что касается 15 Амперного элемента, то свои 15 Ампер он потребляет на 15 Вольтах и обещается, что выводит он в идеальных условиях при этом около 130 Ватт тепла. В реальных условиях и на 12 Вольтах цифры ожидать стоит порядка 50-60 Ватт.

Как я выше уже писал — при перенасыщении теплом элемент Пельте уходит в разнос. И для мощного процессора одно элемента мало.

Именно поэтому большинство экспериментов с элементами Пельтье которые вы можете найти в интернете сводятся к тому, что либо поставив этот элемент на «селрон» он хорошо охлаждается, либо при установки на i7/i9 или 9-тысячный FX всё это дело вообще не работает. Вернее становится всё ещё хуже чем было.

Ставить элементы пельтье «бутербродом» друг на друга когда и так они перегружены тоже не имеет никакого смысла. Если один элемент не может перевести 100 Ватт, то второй ещё сильнее не сможет перевести 250 Ватт уже от первого.

Трёхкаскадный модуль пельтье

Есть двухкаскадные (и даже трёхкаскадные) заводские сборки этих элементов, но они рассчитаны на то, что источник тепла очень слабый и обычно задача просто охладить что-то, допустим датчик какого-то чувствительного прибора.

Достоинства элементов Пельтье

Простота конструкции, отсутствие подвижных частей и специальных навыков при построении системы, низкая стоимость в сравнении с фреоном и при этом высокая разница температур сопоставимая с фрионными чиллерами.

Минусы фрионок тут тоже есть — а именно конденсат. Но вопрос с конденсатом частично решается тем, что Модули Пельтье поддаются управлению как по напряжению, так и по току. Но не так просто как хотелось бы.

Питание должно быть без пульсаций, так как все переменные составляющие питания дают нагрев, но не дают перенос тепла, то есть и без того низкая эффективность ещё сильнее падает.

То есть взять «ардуину», датчик температуры и контроллер каких-нибудь двигателей с ШИМ управлением и всё подключить — не получится. Вернее получится, но работать не будет.

Можно, конечно, питать используя силовые транзисторы в режиме управления, но при управлении всё равно сопротивление транзисторов далеко не бесконечное, так что потери эффективности и необходимость отвода от транзисторов тепла будет.

Но в теории управлять этим можно динамически, так чтобы все компоненты были по температуре выше точки росы. Но две проблемы, а именно сложности управления и то, что одного элемента мало — дают и выходы из данной проблемы с управлением.

Во первых есть стандартное решение в вопросе нехватки производительности чего-то одного в «холодильных» или «нагревальных» делах. А решение это — объединение нескольких элементов чего-либо в один контур с общим теплонасителем.

Мы не можем поставить модули Пельтье друг на друга, но это не значит, что мы не можем поставить их рядом друг с другом и прогонять через их холодные поверхности жидкость и чтобы они все вместе в сумме эту жидкость охлаждали. Так мы можем решить проблему ограниченности максимального переноса тепла одним элементом.

В данном случае тут вопрос только в количестве этих элементов. Если есть желание и возможности можно и 100 элементов объединить в один контур.

И вопрос управления становится проще, так как не надо регулировать питание а можно просто подключать нужное количество элементов. Можно для снижения дискретности ещё поставить один более слабый элемент.

Допустим если будет 10 мощных отводящих по 50 Ватт и один слабый на 25, то можно варьировать отбор тепла в пределах от ноля до 525 Ватт с шагом в 25 Ватт. А включать выключать элементы можно разрывая цепи питания, допустим электромеханическими реле, что шумно, либо твердотельными, что дорого для больших токов.

Либо использовать транзисторы в ключевом режиме полностью их открывая, и автоматизировав всё это дело, измеряя температуру хладагента, влажность и температуру в помещении (для вычисления температуры точки росы), избавляясь от конденсата и лишней траты энергии в простое системы, то есть частично компенсировать имеющиеся недостатки, при этом в максимальной производительности давая виртуальную более холодную среду, чем окружающий воздух.

Практическая часть. Особенности конструкции

Вообще конструкция этого всего довольно простая. Вам понадобится сделать два жидкостных контура охлаждения. Один низкотемпературный, второй — высокотемпературный.

Схема холодного и горячего контуров. (нажмите для увеличения)

Холодный контур

Низкотемпературный контур включает в себя исключительно водоблоки и помпу. Один водоблок на процессор и ещё число водоблоков равное числу элементов пельте. В принципе можно вместо процессорных или видеочиповых водоблоков найти какой-то один большой и налепить все элементы пельтье на него (но ничего подходящего с хотя бы каким-то оребрением я не нашёл).

На стороне холодной части по идее очень важно чтобы водоблоки были хорошими, так как там происходит борьба за то кто будет отдавать тепло — жидкость в конутре или тепло будет браться из нагрева самого модуля. И надо чтобы бралось тепло из контура, и это увеличит эффективность сборки. Поэтому просто плоские железки омываемые как-то жидкостью скорее всего будут малоэффективны.

Ну и в этом контуре должна быть ещё помпа. На этом всё. Далее вопрос уже температур. Если предполагается уход ниже ноля градусов, что возможно в простое системы, то вода для контура не подойдёт.

У меня с тремя 15 Амерными модулями без тепловой нагрузки температура в контуре упала с примерно 26 до 5 градусов Цельсия за 15 минут, далее я эксперимент прервал во избежание закупорки контура льдом и разрыва контура давлением помпы.

5 градусов Цельсия

В качестве хладагента стоит использовать нетоксичные жидкости. На мой взгляд самый лучший вариант примерно 70% раствор этанола с водой. Или чистый 95-96 процентный этанол. Но купить его сейчас проблематично.

Как вариант можно использовать водку, но в простое температура может упасть ниже 20 градусов при которой уже могут появляться центры кристаллизации, жидкость начнёт становится вязкой, сопротивление контура начнёт расти и если у вас хорошая помпа, то она сможет выдавить уплотнения в стыковочных элементах и жидкость выльется в компьютер.

Второй вариант, который проще купить — это пропиленгликоль он же пищевая добавка Е1520.

Вещество нетоксичное, в том числе его пары или аэрозоли, но в редких случаях вызывает раздражение кожи и слизистых. Наименьшие температуры замерзания достигаются в примерно 60% растворах с водой.

Такая жижа замерзает при -70, а кристаллики начинают образовываться примерно при -50. Если вы не будете делать каскады из элементов Пельте, то при комнатной температуре вы не получите ничего холоднее -35 градусов. При комнатной температуре в 26 градусов элемент пельтье у меня смог выдать -30 градусов Цельсия, то есть это теоретический минимум.

Омываемый водой он уже будет теплее даже без тепловой нагрузки просто потому что сами трубки, вода в резервуаре и корпуса водоблоков тоже нагреваются от воздуха, так что разбавлять можно пропиленгликоль до 50/50, так он будет менее вязким и будет иметь лучшую теплопроводность, но начало образования кристаллов будет уже при -30 … -40 градусах. Из недостатков — пропеленгликоль чувствителен к ультрафиолету и со временем разлагается от солнечного света, так что заменять его надо будет не реже чем раз в год.

Я себе пропиленгликоль не купил ещё, просто слежу за температурами в контуре. Так что практическая сторона этой жидкости для меня пока под вопросом, но как антифриз в жидкостных контурах пропиленгликоль промышленно тоже используется.

Горячий контур

Горячий контур уже будет состоять не только из помпы и водоблоков, но и из радиаторов. Для 15 амперных элементов надо исходить из теплоотдачи 200 Ватт на элемент, но более точно требования мы в этой статье и рассмотрим.

При использовании одинаковых водоблоков элементы пельте просто зажимаются между двумя водоблоками, так что думать над монтажём этих элементов тоже не придётся, скорее всего комплектные винты от водоблоков подойдут.

Сборка пары водоблоков горячей и холодных частей одного модуля

Тестовая реализация

Я же пока решил сразу не собирать всю систему целиком, а для начала попробовать как это работает, так что полноценно эта схема ещё не собрана и вместо горячего контура у меня просто к каждому элементу пельтье подсоединён процессорный кулер.

Упрощённая схема без горячего контура

И задача сейчас стоит оценить элементы в работе, понять стоит оно вообще потраченных денег (и денег которые могут быть потрачены на полноценный вариант) или нет, оценить эффективность и т.д.

В кадре можно увидеть два блока питания. Один питает компьютер, второй систему охлаждения

Для подключения элементов Пельтье я использовал отдельный компьютерный блок питания, и на провода самих элементов просто распаял 8 pin коннекторы (правда затупил и купил по форме как процессорные 8pin, так что используются они как 6-pin). Элементов я купил только 3. Все три — это 15-ти амперные TEC1-12715 чего для экспериментов более чем достаточно, больше элементов было покупать незачем, так как свободных кулеров у меня только 3.

Кулеры с элментами пельте и водоблоками

На 12 Вольтах без подачи тепла на холодную сторону и хорошем охлаждении горячей все три потребляют около 12 Ампер, то есть потребляемая мощность у всех около 150 Ватт.

Единственное я бы всё таки советовал не питать их максимальными допустимыми 15 Вольтами, на которых они и будут по идее потреблять 15 Амер, то есть около 225 Ватт, потому что и на 150 провода уже тёплые (в длительной нагрузке градусов 40 набирают), в максимальных нагрузках эти провода уже не выдержат.

С креплениями для кулеров тут сложнее — пришлось чутка поколхозить, задачи сделать красиво не было. Была задача сделать быстро и так чтобы не сверлить и портить родные крепления кулеров, то есть чтобы потом можно было всё разобрать и пользоваться кулерами как и до доработки.

Ещё надо было куда-то поключить помпу и все вентеляторы. Разветвителя у меня не было и переходников на моликсы не хватило, так что я использовал плату от ардуиновского набора для управления подсветкой от Gelid.

GELID CODI6

Сама Arduino в этом всём никак не участвовала, просто нужна была разводка на плате отвечающая за разветвление питания на вентиляторы. Вообще обычные разветвители стоят копейки, в хороших компьютерных корпусах они есть как правило в наборе с самим корпусом.

Помпа, крепления и резервуар куплены на алиэкспрессе.

Водоблоков всего в системе 4. Три — самые дешёвые что я нашёл с хоть каким-то подобием микроканалов и фиттингами в комплекте.

Четвёртый, на процессор, по сути тоже-же самое только никилированный и с креплением, но без фитингов и чуть дороже (фиттинги купил тоже на али, кстати, попались неплохие). У трёх дешёвых крепление тоже было, но чисто номинальное, без бэксплейта, одни винты (и ставить на винты без бэкплейта крайне не рекомендую, на этот случай есть даже отдельная статья на сайте).

Везде я всё обмазал дешёвой термопастой с алиэкспресса.

Не лучшая паста, зато 30 грамм

Практические тесты, задачи и методика

Для начала меня интересует вопрос того, насколько сложно отвести 200 Ватт тепла от элемента Пельте. Они обладают большой площадью, так что по идее это не должно быть так сложно, как отвести 200 Ватт, например от процессора.

В моей сборке есть 3 кулера. Один — крупный, с мощным серверным вентилятором с оборотами около 5200 в минуту.

Gelid Siroco

Второй — тонкий, по площади примерно как одна тонкая секция СВО с вентилятором на 2000 оборотов.

Третий — по толщине примерно такой же, вентилятор такой же.

Но самое важное у этого кулера — не полное покрытие самого модуля Пельте, то есть подошва радиатора узкая и короткая.

Габариты модуля выходят за пределы подошвы кулера

Для замера эффективности охлаждения предлагаю взять практические результаты, а не температуры самих модулей, да и как измерить эти температуры когда модуль закрыт кулером — не ясно.

Я включал на компьютере постоянную нагрузку и изменял поврелимит процессора до тех пор пока установившаяся температура жидкости в контуре не станет равной комнатной (ограничение TDP и нагрузка задавались в Intel Extreme Tuning Utility).

(нажмите для увеличения)

То есть потери тепла в нагрев или охлаждение комнаты прекратятся, иными словами — то значение поверлимита которые будет выставлено для нагрузки и будет значением отводимой из контура тепловой мощности модулем Пельте.

Наибольшую погрешность вносить будет только помпа водяного контура.

Я замерил реальное потребление помпы и оно составило порядка 6,1 Ватта, я буду 6 ватт добавлять к TDP, но в реальность корпус помпы нагревался выше 30 градусов, то есть часть этих 6 Ватт отводятся воздухом помещения, сколько реально уходит в жидкость от помпы — неизвестно.

Температура помпы

В теории если окажется, что один элемент сможет с большим кулеров отвести намного больше тепла, чем средний кулер, то значит одной секции СВО на один 15 Амерный элемент мало.

А если разница в поверлимитах будет маленькой, то значит и площади одной секции небольшой толщины радиатора будет достаточно на один модуль Пельте.

Самый слабый кулер (с маленькой подошвой не покрывающей весь модуль) расскажет насколько критично внутренне распространение тепла в элементе и насколько высоки требования к качеству водоблоков горячего контура.

Замеры температуры воды производятся термодатчиком посаженным на термопасту на фитинг резервуара. Это место не охлаждается дополнительно через корпус водоблоков и более точно передаёт температуры жидкости. Данные с датчика я в режиме реального времени выводились на экран, чтобы точно отслеживать динамику процессов.

Полученные результаты покажут — реально ли собрать такую систему в обычном корпусе или нет.

Если хватает одной секции малой толщины радиатора, то в корпусе где можно установить сверху 360 и с переди 240 или 280 радиатор можно будет использовать целых 5 модулей Пельте и сейчас мы узнаем и то сколько высасывает тепла каждый модуль, соответственно эту цифру можно в таком случае будет умножить на 5, по числу элементов — это и будет тот TDP процессора при котором хладогент будет комнатной температуры в длительных непрерывных тестах, ну и конечно холодный контур жидкости можно переохладить и в коротких тестах получать меньшие температуры или рассчитывать на больший временный предельный TDP за счёт того что контуры объёмные и вода будет прогреваться какое-то длительное время за которое тест закончится.

Практические тесты, результаты

И так, при жидкости в холодном контуре комнатной температуры модуль с самыми худшими условиями смог вывести 27 Ватт тепла от процессора и плюс ещё 6 Ватт помпы. Стоит отметить, что модуль потерблял не 12 с небольшим Ампер как без нагрузки, а только чуть больше 10 Ампер, об этом я ещё потом скажу.

Модуль со средними условиями смог вывести 32 Ватта тепла от процессора плюс 6 помпа, это больше, чем модуль который не помещался на основание кулера. Ток так же был около 10 Ампер.

Модуль с лучшими условиями, то есть на большой башне с минимальными оборотами вентилятора около 3 тыс. смог отвести уже целых 58 Ватт тепла от процессора плюс ещё 6 помпа. При этом модуль потреблял почти 12 Ампер. То есть практически столько же, сколько и при холостой работе, при которой все три модуля потребляли чуть больше 12 Ампер.

Этот же кулер с максимальными оборотами позволил элементу Пельтье отвести от процессора 63 Ватта тепла плюс 6 Ватт помпа. А Ток как раз достиг тех же чуть более 12 Ампер как и в холостой работе без нагревания холодной стороны.

Выводы

В общем — выводы не утешительные. По сути на каждый элемент Пельте надо либо по секции 60 мм СВО, либо по две секции тонких радиаторов на элемент. Я, честно, говоря, рассчитывал на чуть меньшие требования, и надеялся что секции 45 мм радиаторов на модуль будет достаточно, но судя по тестам — не достаточно.

Кроме того я замерил ток и напряжением для каждого модуля в нагрузке и зная их и зная тепловыделение процессора можно рассчитать условный КПД модулей. Условный, потому что я повторюсь с точки зрения электричества КПД у модулей 0.

КПД будет показывать отношение выведенной из контура тепловой энергии к затраченной электрической энергии модулем.

Энергоэффективность модулей Пельтье

Модуль Пельте у которого свисали края показал условные КПД примерно 27%.

Модуль примерно с таким же радиатором но более крупным основанием показал условное КПД около 31%.

На башне большей толщины эффективность вышла примерно 44%. И это, на самом деле, не очень плохая цифра, она хуже чем в дата центрах со специальными системами кондиционирования и отвода нагретого воздуха (по разным данным от 50% до 1 к 1), но в целом — уже не 27%.

С максимальной скоростью вращения вентилятора эффективность ещё чуть выросла и достигла уже примерно 46,5%. Полагаю, если использовать хорошие водоблоки и хорошую термопасту, то реально получить 50% эффективности. То есть, на 100 Ватт тепла от процессора нужно будет 200 Ватт на питание элементов Пельте.

В таком случае полуторакиловатного блока питания для элементов Пельтье может хватить на охлаждение 750 Ваттного процессора. Однако отмечу, что 50% я всё же не получил.

С моей эффективностью если бы все элементы были в лучших полученных условиях мне бы полутора киловатного блока питания для элементов Пельтье хватило только на примерно 700 Ватт отведённого тепла (и то надо понимать, что мы получаем условные -40 градусов к температуре воздуха, так что стоит рассчитывать на то что разгон будет в тех пределах как буде-то мы могли бы на процессоре держать не до 100 градусов, а до 140, так что никакие 700 Ватт через процессор мы не получим).

Анализ масштабируемости

Далее встаёт вопрос масштабируемости. Будут ли два элемента работать в сумме так же эффективно как в сумме два по отдельности.

Включим два модуля из трёх и найдем для них то тепловыделение процессора при котором жидкость будет иметь устоявшуюся комнатную температуру. TDP на процессор выставлен был 62 Ватта.

Теоретически должно было бы быть 27+32+6 Ватт то есть около 65 Ватт, а не 62+6=68.

Но тут надо понимать, что условия были не идеальными, и в целом можно говорить, что эффективность элементов друг с другом складывается.

https://www.youtube.com/watch?v=T1WYp4_Sego

С тестами трёх уже сложнее — процессор с увеличением поверлимита упирается в ограничение частотной формулы турбобуста, тут ещё возможно накладывается то, что у меня i9 9900k стоит на материнской плате с чипсетом z170, то есть с биос и пин модом. В общем — стресс тест от интел, который очень чтёко держит TDP, даже с разблокированным разгоном через BIOS не захотел нагрузить процессор как следует.

Линпак тоже что-то не особо желал у меня нормально работать. Выдавал нагрузку очень неравномерно. Для трёх модулей я должен был получить около 134 Ватт, я подобрал частоту и напряжение при которых и выходили примерно 134 Ватта, но иногда линпак выдавал потребление около 200 Ватт, то есть среднее по времени потребление было выше, что сказалось и на температуре жидкости.

Перед тестом теплоноситель немного переморозился, потому что долго подбирал режимы и начал я тесты на воде примерно в 18 градусов, и через менее чем десять минут жидкость нагрелась уже до 30 градусов, то есть из-за того что среднее потребление было выше теоретически необходимого — и пошёл рост температур.

Касаемо цифр температур процессора тут в общем-то всё не очень показательно, потому что отпечаток термопасты от процессора на китайском водоблоке примерно такой:

Но для справки — у меня с заводской СВО процессор при потребление около 200 Ватт сразу уходил под 100 градусов, тут же такого не было, какая температура устоялась бы в этих условиях я не замерил.

Итоги

Во первых — это работает и на этом можно сделать экстремальное охлаждение и это не требует специальных знаний и навыков, как, например, самодельная фреонка.

Во вторых — на каждый модуль нужна секция толстой СВО для оптимальной работы 15 Амперных модулей.

В третьих — по потребляемому току можно понять насколько хорошо охлаждается элемент. То есть при недостаточном охлаждении они потребляли меньше тока (в моих условиях 10 Ампер вместо 12).

В четвёртых — в близких к идеальным условиях можно получить эффективность приближенную к 50%, то есть на один отводимый ватт тепла нужно подать на модули 2 Ватта питания.

В пятых — система линейно масштабируемая.

Дальше встаёт вопрос уже полномасштабной реализации.

И тут возникает два этапа которые скорее всего и разделятся на две статьи.

Первый — отработка системы управления автоматической регулировки включения модулей, то есть надо сделать так чтобы температура жидкости не уходила ниже точки росы чтобы на водоблоке процессора не было конденсата, и чтобы не требовалась термоизоляция трубок через которую были бы потери холода и чтобы модули не морозили жидкость в простое зря и не тратили лишнюю энергию.

И по итогу уже можно будет оценить насколько энергозатратна установка в повседневной жизни и уже попробовать разогнать что-нибудь в рамках этих трёх модулей и того железа, что у меня есть.

Ну и последняя третья часть — закупка всего необходимого для полноценной установки, скорее всего нужна будет материнская плата для которой существуют моноблочные водоблоки покрывающие VRM, так как разгон будет очень не слабый.

Выбор и закупка корпуса, куда можно установить две помпы и кучу радиаторов и там уже устроим разгон на все деньги. И в итоге должен получится компьютер размером с обычный компьютер, и выглядящий как обычный компьютер, с шумностью обычного компьютера, но с существенно лучшим охлаждением.

Как будет в реальности — в текущий момент не известно.

Какими будут будущие настольные intel процессорыГреет ли RTX 3080 память и кулер процессора? Моделирование воздушных потоков референсной RTX 3080.Воздушные потоки в необычных компьютерных корпусахЧто рассказала и НЕ РАССКАЗАЛА Nvidia о RTX 3000 (RTX Ampere)железные новости за август 2020 | InfoCAST #035Синхронизация. Причины появления, как работает, виды и различия.Может ли проектор заменить монитор/телевизор?Сравнительный тест 120 мм кулеровОтветы на ваши вопрос по случаю 200к подписчиковInfoCAST #034 | Главные IT новости июляНасколько реален переход компьютеров на ARM?Моделирование воздушных потоков. Эволюция компьютерных корпусов.

Оригинал: https://pc-01.tech/peltie/

Термоэлектрические модули Пельтье

Элемент Пельтье он же термоэлектрический модуль

Оригинал: https://www.youtube.com/watch?v=KC1KfNgbqP8

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Тратосфера