Охладитель напитков на элементе Пельтье

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье (рис. 11.5) обладают очень полезным свойством — когда через них пропускается ток, одна сторона элемента становится более горячей, а другая — более холодной.

Чтобы это произошло, пропускаемый ток должен иметь солидную величину (обычно от 2 до 6 А при 12 В), т. е. для использования элемента Пельтье вам понадобится достаточно мощный блок питания. Такие элементы можно часто обнаружить в переносных холодильниках и в охладителях напитков. Элементы Пельтье в ряде случаев предпочтительнее обычных холодильников, поскольку у них нет движущихся частей, которые могут сломаться.

Рис. 11.5. Элемент Пельтье

Как работают элементы Пельтье?

Когда электрический ток протекает через переход между двумя различными проводящими материалами, то материал с одной стороны перехода становится несколько горячее, а с другой — несколько холоднее. Это явление назвали эффектом Пельтье в честь французского физика Жана Пельтье, открывшего его в 1894 году. Явление это известно также как термоэлектрический эффект.

Термоэлектрический эффект относительно мал, и чтобы сделать его нам полезным, — например, для охлаждения напитков, его нужно многократно усилить. Это достигается за счет размещения групп переходов друг за другом — тогда при прохождении тока каждый переход вносит свой вклад в общий эффект. Обычные недорогие элементы Пельтье имеют, как правило, около 12 переходов (рис. 11.6). По обеим сторонам элемента Пельтье расположен базовый материал, образующий основу для блока групп переходов.

Рис. 11.6. Устройство элемента Пельтье

Материалы, образующие стыки (переходы) элемента Пельтье, — это полупроводники двух типов, аналогичные тем, что используются при производстве транзисторов и микросхем, но оптимизированные для термоэлектрического эффекта. Они известны как полупроводники N-типа и P-типа — от слов Negative (отрицательный) и Positive (положительный).

Элементы Пельтье имеют еще одну очень интересную особенность — их можно использовать не только для охлаждения. Если нагреть одну сторону элемента Пельтье больше, чем другую, то элемент будет генерировать небольшое количество электроэнергии.

Особенности практического применения

Основная проблема элементов Пельтье состоит в том, что горячая и холодная его стороны находятся в тесном контакте, вследствие чего горячая сторона очень быстро нагревает холодную. Чтобы уменьшить этот неприятный эффект, нужно снимать тепло с холодной стороны как можно скорее.

Решением такой проблемы может может служить применение теплоотводящего радиатора (рис. 11.7). Такой радиатор представляет собой алюминиевую пластину с ребрами, увеличивающими площадь охлаждаемой поверхности, что способствует лучшему отводу тепла. Холодная сторона элемента сконструирована в виде блока, вдающегося внутрь теплоотводящего радиатора.

Простой радиатор сам по себе не столь эффективен, как тот же радиатор, но с вентилятором. Вентилятор уносит от пластин радиатора нагретый за счет конвекции воздух и заменяет его новой порцией холодного воздуха. На практике некоторые устройства имеют вентиляторы с обеих сторон элемента Пельтье, что позволяет повысить эффективность его работы (рис. 11.8).

Рис. 11.7. Элемент Пельтье на теплоотводящем радиаторе

Рис. 11.8. Охлаждение элемента Пельтье двумя вентиляторами

Проект: охладитель напитков

В этом проекте не используется ни Raspberry Pi, ни Arduino. Проект просто демонстрирует, как нужно подключать элемент Пельтье, и как можно самому собрать простой охладитель напитков (рис. 11.9). Этот базовый проект мы дополним в главе 12, добавив в него контроль за температурой и термостабилизацию. Затем, в главе 14, в него будет добавлен OLED-дисплей для отображения температуры.

Рис. 11.9. Охладитель напитков в сборе

Комплектующие

В этом проекте нам понадобятся следующие комплектующие (табл. 11.3).

Таблица 11.3. Комплектующие для работы с проектом охладителя напитков

Компонент схемы	Источники
Элемент Пельтье с двумя охлаждающими вентиляторами (ток 4 А или меньше)	eBay
Переходник с круглым гнездом и винтовыми зажимами	Adafruit: 368
Источник питания (12 В 5 A)	Adafruit: 352
Большая емкость из-под молока или сока	Б/у
Освежающий напиток

Если потребуется задействовать более мощный элемент Пельтье, чем тот, что указан в табл. 11.3, следует воспользоваться более мощным блоком питания, чтобы его максимально допустимый ток наверняка превышал ток, потребляемый элементом. Предусмотрите, как минимум, превышение в половину ампера для вентиляторов и еще в половину ампера на всякий случай.

Конструкция

Рассмотрев провода, идущие к блоку охлаждения, можно выделить три пары проводов: одна пара идет к элементу Пельтье, и по паре проводов — к каждому из вентиляторов. Им всем требуется 12 В от источника питания, и самый простой способ подключения состоит в использовании винтового зажима на разъеме, идущем к блоку питания. Проще говоря, все три красных провода от охлаждающего устройства нужно зафиксировать в винтовой клемме с маркировкой (+), а все три черных провода — в винтовой клемме с маркировкой (–), как показано на рис. 11.10.

Рис. 11.10. Подключение проводов в проекте охладителя напитков

Крышку пластикового контейнера, предназначенного для охлаждения емкости с напитком, нужно отрезать, а в его боковой стенке вырезать квадратное отверстие с таким расчетом, чтобы охлаждающая часть элемента Пельтье в этом отверстии плотно держалась (рис. 11.11). Контейнер должен быть достаточно большим, чтобы в нем можно было разместить для охлаждения любимый стакан или бутылочку.

Рис. 11.11. Подготовка пластикового контейнера

Если на охлаждающей стороне элемента Пельтье имеются отверстия под винты для крепления, то под них нужно проделать отверстия также и в контейнере, — с помощью винтов элемент можно будет закрепить на контейнере надежнее. При правильно вырезанном отверстии дно контейнера и основание элемента Пельтье окажутся на одном уровне, и в собранном виде у контейнера не будет причин опрокидываться.

Огромное преимущество использования одного их серии бывших в употреблении пластиковых контейнеров заключается в том, что если сделать вырез в неправильном месте, то для исправления ошибки всегда можно взять другой контейнер и начать все с начала.

Использование охладителя

Когда вся конструкция будет собрана, подключите блок питания, — оба вентилятора должны начать вращаться, и если опустить в контейнер руку, то сразу же можно будет почувствовать холодный воздух, идущий от меньшего вентилятора.

Как показали расчеты, проведенные при попытке вскипятить воду, изменение температуры даже относительно небольшого количества воды занимает много времени. И хотя наш охладитель способен охладить и теплый напиток, гораздо лучше до использования сохранять напиток прохладным, чем дожидаться, пока до нужной температуры охладится теплый напиток.

Этот проект также несколько неэкономичен, на сохранять прохладным небольшого количества напитка расходует 50 Вт электрической энергии. В главе 12 мы сделаем наш проект несколько эффективней, добавив в него режим термостатирования.

Заключение

В этой главе мы узнали, что быстрый нагрев и охлаждение требуют довольно высокой мощности, и что схемы с использованием транзисторов и реле могут успешно использоваться для управления как нагревателями, так и элементами Пельтье.

В следующей главе мы рассмотрим способы точного регулирования температуры и узнаем, как можно улучшить охладитель напитков, используя терморегулятор.