Дело идёт к жаркому лету, и становятся актуальными различные способы охлаждения продуктов, приборов да и воздуха в комнате. Конечно, можно использовать обычные компрессионные холодильники и кондиционеры, работающие от сети. Но есть ли другие способы получить холод?

Оставим в стороне охлаждение бутылок в проточной воде, обёртывание их мокрым полотенцем с выставлением на ветер, а также заблуждение насчет охлаждения молока при помощи лягушек. Что если нужно охладить банку напитка прямо на рабочем столе? Или, наоборот, микрокомпьютер, мощный транзистор выходного каскада усилителя? Обычные компрессионные холодильники использовать можно, но из-за размеров на рабочий стол их не поставить.

Вооружившись элементом Пельтье с радиаторами и вентиляторами, я за полчаса сделал за настольный холодильник из теплоизоляционной плиты, купленной в строительном магазине. Примерно за час-два он смог охладить содержимое до 11 ⁰C.

Что собой представляют элементы Пельтье и для чего их можно применять кроме как для небольших холодильников?

Изобретение элемента Пельтье

В далёком 1834 году французский часовщик Жан Шарль Атаназ Пельтье открыл термоэлектрический эффект, который был назван его именем — эффектом Пельтье. Пропуская электрический ток через цепь из медных проводов и висмута, Пельтье обнаружил, что один спай металлов нагревается, а другой — охлаждается, в зависимости от направления тока.

Этот эффект получил теоретическое обоснование в 1838 году российским физиком Эмилием Ленцом. Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1855 году связал этот эффект с эффектом Зеебека.

Эффект Зеебека представляет собой возникновение электродвижущей силы (ЭДС) на концах термопары — последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Термопара

Если вы знакомы с термопарами, то знаете, что на их базе создаются датчики температуры. При этом спай разнородных проводников помещается в измеряемую среду (рис. 1).

По величине возникающей термо-ЭДС определяется температура. Термопара может быть создана на основе сплавов хромель и алюмель. 

Хромель представляет собой сплав из следующих элементов и примесей — хром 8,7-10%, никель 89-91%, кремний, медь марганец и кобальт. Алюмель состоит из никеля (93-96%), алюминия (1,8-2,5 %), марганца (1,8-2,2%), кремния (0,8-1,2 %).

На рис. 2 показан пример термопары.

В детстве я сам изготавливал термопары, скручивая и сплавляя место скрутки нихромовой и медной проволоки. Нихромовую проволоку я брал из переменного резистора, а медную проволоку — из разобранного трансформатора от старого телевизора. Сплавлял на газовой конфорке. Чтобы проверить такую термопару в действии, я подключал ее к микроамперметру и нагревал место спайки горящей спичкой.

Сегодня термопару можно купить на маркетплейсе.

Эффект Пельтье — обратный: пропусти ток через цепь из двух разных материалов, и один спай начнёт нагреваться, а другой охлаждаться. 

Появление промышленных элементов Пельтье

На металлах эффект Пельтье работает слабо — для промышленности этого мало. Однако на рубеже 1920–1930-х годов советский физик-теоретик Яков Френкель предсказал возможность усиления эффекта в полупроводниках. Идею реализовала группа академика Абрама Иоффе в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ).

В 1942 году был создан термоэлектрогенератор ТГ-1, который называли «партизанский котелок Иоффе». Он представлял собой первый пример промышленного использования эффекта Пельтье. Котелок был способен выдавать 10 Вт мощности при нагреве на костре, что оказалось достаточно для питания армейской радиостанции. Этот и другие термоэлектрогенераторы описаны в статье «История создания термоэлектрического генератора тока». Там вы найдете фото термоэлектрогенераторов, работающих от керосиновой лампы и примуса.

Сегодня элементы Пельтье ставят в компактные охладители. С их помощью можно охлаждать даже радиодетали, смонтированные на плате — мощные процессоры, лазерные диоды и высокочастотные компоненты. В таких холодильниках нет ни движущихся частей, ни хладагента — но горячую сторону элемента обязательно нужно охлаждать.

Устройство элемента Пельтье

Если посмотреть на элемент Пельтье, то он представляет собой небольшую плитку, к которой подходят два провода — красный и чёрный (рис. 3).

Если подключить красный провод к положительному полюсу источника питания, а чёрный — к земле, произойдет очень интересное явление. Одна сторона этой плитки нагреется, а другая охладится. Тепло будет «перекачиваться» с одной стороны плитки на другую.

Но не спешите включать питание!

Включение питания и охлаждение

Даже если элемент рассчитан на 12 В, без охлаждения горячей стороны он сгорит мгновенно. При перегреве плавится припой, которым соединены внутренние проводники, — и модулю конец.

Для начала подайте на элемент 2 В от лабораторного блока питания. Через модуль пойдёт ток около 0,5 А — и уже через несколько секунд, взяв элемент в руки, вы почувствуете разницу температур между сторонами.

В продаже есть готовые сборки: элемент Пельтье плюс два радиатора с вентиляторами (рис. 4).

Элемент Пельтье плотно зажат между большим и маленьким радиатором — а для хорошего теплового контакта пластины элемента промазаны термопастой.

При работе большой радиатор нагревается, и большой вентилятор сдувает с него горячий воздух. Маленький радиатор охлаждается, а маленький вентилятор направляет холодный воздух внутрь охлаждаемого пространства.

Именно такой блок пошёл у меня в дело — холодильник будет дальше. Пока скажу одно: энергии потребяет он прилично При напряжении питания 12 В ток превышает 4 А, а потребляемая мощность составляет примерно 50 Вт.

Если нужно более интенсивное охлаждение, купите сдвоенные и счетверённые блоки Пельтье. В этом случае потребуется довольно серьёзный блок питания, способный обеспечить 12 В при мощности 100 Вт и 200 Вт, соответственно.

И да, вентиляторы довольно сильно шумят, но без них никак.

Полупроводниковые кубики

Если посмотреть на внутреннее устройство плитки элемента Пельтье, то видна ячеистая структура (рис. 5).

На рис. 6 эта структура показана крупным планом.

Внутри модуля — полупроводниковые столбики p- и n-типа. Они соединены попарно металлическими перемычками и зажаты между двумя керамическими пластинами (рис. 7).

Керамические подложки держат всю конструкцию и изолируют пары друг от друга. 

Для полупроводниковых пар применяется теллурид висмута Bi₂Te₃ и твёрдый раствор смеси кремния с германием SiGe. Материал для элемента Пельтье должен хорошо проводить электрический ток и при этом плохо проводить тепло. Этого добиваются составом материалов и присадками.

На рынке есть модули с десятками и сотнями пар — от плиток меньше квадратного сантиметра до крупных промышленных сборок.

Концы столбиков металлизированы и припаяны к медным перемычкам на керамических подложках из оксида алюминия. Керамические подложки формируют равномерные холодные и горячие стороны элемента Пельтье.

Типовой бытовой модуль: 12 В питания, 5–6 А тока, до 50–60 Вт мощности.

Как работают элементы Пельтье

Работа элемента Пельтье основана на том, что электроны в разных материалах находятся на разных энергетических уровнях. Когда носители заряда проходят границу раздела двух разнородных полупроводников, те оказываются в среде с иным распределением энергетических уровней.

Чтобы выйти на равновесие, носители либо забирают энергию у решётки, либо отдают ей. В первом случае область контакта охлаждается, во втором нагревается. При этом направление тока определяет, какая сторона будет холодной. Если изменить полярность, холодильник станет нагревателем.

На границе p- и n-полупроводников возникает разность потенциалов — она либо помогает носителям перейти, либо мешает им. От этого и зависит, нагреется граница или охладится.

Отечественные промышленные элементы Пельтье

У отечественных производителей ассортимент огромный — категории на любой вкус и любое применение.

Вы найдете охлаждающие микромодули, а также охлаждающие устройства и сборки.

Например, один из отечественных производителей выпускает тысячи термоэлектрических охладителей, как стандартных, так и созданных по индивидуальным требованиям. Это могут быть как миниатюрные однокаскадные или крупные многокаскадные модули для таких областей применения:

• полупроводниковые лазеры и суперлюминесцентные диоды;

• рентгеновские и ИК-датчики;

• фотодетекторы и фотоумножители;

• лавинные фотодиоды;

• фотоприемные матрицы;

• устройства с зарядной связью

Также производятся охлаждающие устройства и сборки, в которых термоэлектрический охладитель устанавливается в стандартный или индивидуальный корпус. Это могут быть такие стандартные корпуса как ТО-46, ТО-39, ТО-8, Butterfly, DIL и другие.

Вы найдете готовые модули с радиаторами и вентиляторами, подобные показанному на рис. 4.

Как видите, доступны элементы Пельтье, предназначенные не только для домашнего творчества и самоделок, но и для серьёзных промышленных решений.

Маркировка элементов Пельтье

На корпусе модуля стоит маркировка — что-то вроде TEC1-12715. По ней можно многое узнать.

Аббревиатура TEC означает Thermoelectric Cooler — «термоэлектрический охладитель». Вы также можете встретить отечественную аббревиатуру ТЭМ (термоэлектрический модуль) или другие, зависящие от производителя. 

Символы TE указывают, что это термоэлемент. Вслед за TE идёт символ, обозначающий размер корпуса:

• S — маленький корпус;

• C — корпус стандартного размера

Цифра после символа размера указывает количество каскадов или слоёв внутри модуля.

Следующие три цифры — количество термопар, последние две — максимальный ток в амперах.

Таким образом, элемент TEC1-12715 представляет собой однокаскадный модуль стандартного размера. В нём 127 термопар, а максимальный ток может достигать 15 А.

Что касается напряжения питания модуля, то оно определяется количеством термопар. Для 127 термопар это 16 В, однако производители для оптимальной эффективности рекомендуют подавать только 12 В.

Чем больше ток — тем мощнее охлаждение, и тем серьёзнее нужно отводить тепло с горячей стороны, иначе модуль распаяется. 

Точные характеристики модуля Пельтье ищите в даташите производителя по маркировке прибора. Например, даташит элемента TEC1-12715 можно найти на этой странице. На рис. 9 я привел основные значения этих параметров.

Обратите внимание на максимальную рабочую температуру, максимальное напряжение питания и максимальный ток. Превышение значений этих параметров может привести к повреждению модуля.

Допуск на параллельность керамических пластин важен для качества теплового контакта. Что касается спецификации соединительных проводов, то этот параметр гарантирует, что соединительные провода не станут узким местом при работе модуля на полной мощности.

В России есть производство отечественных элементов Пельтье и сборок из них довольно большой мощности. Обозначения этих элементов зависят от производителя.элементов 

Строим настольный холодильник

Жара на улице привела меня к мысли, что было бы неплохо быстро соорудить малогабаритный настольный холодильник на базе элемента Пельтье. В нём можно было бы хранить воду, сок, или что-нибудь ещё в охлаждённом виде.

Выбор пал на блок с Пельтье, двумя радиаторами и вентиляторами, о котором я уже рассказывал (рис. 5).

Покупаем материалы

Для изготовления холодильника я приобрёл в строительном магазине плиту утеплителя Пеноплекс толщиной 20 мм и разрезал его на пластины 34 см x 25 см (три пластины для боковых стенок) и 25 см x 26 см (две пластины для дна и крыши). Что касается дверцы, то здесь нужна одна пластина 30 см x 30 см.

Ещё взял две дверные петли, коробку саморезов 45 мм и сегментный строительный нож (рис. 10).

Строим корпус холодильника

Резать плиту нужно по направляющей — стальной линейке или тонкому угольнику 

Для ровного реза лезвие выдвигаем длиннее толщины плиты — и режем в несколько проходов, не пытаясь продавить с первого раза.

Далее на задней стенке нужно вырезать отверстие для крепления блока Пельтье с вентиляторами. Этот блок я закрепил при помощи шурупов (рис. 11).

Внутрь поставил обычный уличный градусник — для контроля температуры.

На рис. 12 показано крепление градусника. Также виден радиатор и маленький вентилятор с «холодной» стороны блока с элементом Пельтье.

До включения градусник показывал +25 ⁰С.

Подаём питание на холодильник

Подключил элемент и вентиляторы к лабораторному блоку питания и плавно поднял напряжение до 12 В (рис. 13). 

На 12 В холодильник потреблял 52 Вт. Примерно через час температура внутри корпуса холодильника снизилась с +25 ⁰С до +11 ⁰С.

Для коробки, собранной за полчаса, — неплохо. Если закрыть глаза на жужжание вентиляторов — настольным холодильником пользоваться можно. И у вас под рукой будут охлаждённые напитки.

Усовершенствование холодильника

Чтобы улучшить теплоизоляцию, корпус можно оклеить алюминиевым скотчем — снаружи и изнутри. Также я видел в продаже плиты утеплителя, одна сторона которых уже покрыта алюминиевой фольгой.

Если холодильник должен работать круглосуточно и держать заданную температуру — простым блоком питания уже не обойтись, нужен контроллер. Понадобятся датчики температуры — внутри холодильника, на обоих радиаторах и на холодной стороне элемента.

И ещё: чтобы модуль прожил подольше, не кормите его блоком с большими пульсациями и не дёргайте питание часто. Простой блок питания на базе трансформатора, выпрямительного диодного моста и сглаживающего пульсации конденсатора может и не подойти по уровню пульсаций при таком уровне потребляемой мощности.

В статье «Винный холодильник своими руками. Холодильник на элементе Пельтье» рассмотрен серьёзный подход к созданию собственными руками круглосуточно работающего холодильника для вина на базе элемента Пельтье. Этот холодильник держит постоянную температуру, необходимую для сохранения вина. Вы можете использовать идеи из этой статьи для усовершенствования собственного холодильника.

Также возможно вам будет полезна статья «Элемент Пельтье», в которой описано управление элементом Пельтье с помощью микроконтроллера Ардуино и мощного полевого транзистора.

Теплоэлектрогенераторы

Подключаем к элементу мультиметр в режиме измерения напряжения и поливаем одну из сторон горячей водой (рис. 14). На выводах появляется напряжение — спасибо эффекту Зеебека.

У меня вышло около 0,4 В — дальше пришлось остановиться, чтобы не обжечь руку.

А можно ли получить электричество с помощью элемента Пельтье и кубика льда?

Оказывается можно. На рис. 15 я подключил к элементу Пельтье мультиметр, а затем положил на него сверху кубик льда из холодильника.

На комнатной температуре нижней стороны напряжение составило −0,48 В (знак минус — потому что полярность поменялась относительно прошлого опыта). По мере того как разница температур уменьшалась, падало и напряжение.

На принципах, положенных в основу элементов Пельтье, построена работа компактных и бесшумных теплоэлектрогенераторов (ТЭГ). Такие генераторы дают автономное питание вдали от цивилизации. Выше я уже упоминал термоэлектрогенератор ТГ-1 «партизанский котелок Иоффе». Для оленеводов будет полезен «чумогенератор», вырабатывающий электроэнергию с помощью пара от кипящей воды.

Сегодня термоэлектрогенераторы делают самые разные. Они могут использовать тепло от сжигания топлива, пиротехнических шашек, от распада изотопов, тепло ядерного реактора и солнечных коллекторов, тепло земли и воды. Можно использовать тепло, образующееся на производства и транспорте.

Такие генераторы можно использовать на Земле и в космосе, например, в качестве бортовых источников электропитания космических аппаратов, предназначенных для исследования удалённых от Солнца областей Солнечной системы. 

Среди преимуществ термоэлектрических генераторов на элементах Пельтье можно назвать простоту конструкции, отсутствие движущихся частей и бесшумность. КПД у них невысокий, но там, где важнее простота и тишина, а не мегаватты, они выручают. 

На рис. 16 показана печатная плата с интегрированной ядерной батареей NanoTritium.

Она была представлена на экспозиции SpaceCom 2024 и подчеркивала возможности использования таких источников питания для малых спутников и лунных миссий. В таких устройствах электроника должна работать в экстремальном холоде и темноте.

В НИЯУ МИФИ создан прототип ядерной батарейки на изотопах плутония, работающий по принципу преобразования тепла и света. Она способна работать без подзарядки несколько десятилетий.

Также в национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» создана атомная батарея, которая дает 1 МВт электричества и 14 МВт тепла, способная работать 40 лет.

Те же отечественные производители делают и термоэлектрогенераторы, и приборы для контроля теплового потока.

Итоги

Надеюсь, эксперименты с элементом Пельтье доставили вам удовольствие. Теперь вы знаете, как с помощью такого элемента, снабженного радиаторами и вентиляторами, очень быстро соорудить небольшой настольный холодильник.

Возможно, используя элементы Пельтье, вы сконструируете систему охлаждения для процессора в компьютере, для выходных транзисторов мощных радиочастотных или звуковых усилителей или других электронных компонентов, которые сильно нагреваются в процессе работы. А может вы сделаете теплоэлектрогенератор для походных условий или просто проведёте серию экспериментов по физике, или примените элементы Пельтье в промышленных установках. Здесь все ограничивается только вашим воображением!

Автор @AlexandreFrolov

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.