Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам

    Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

    В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями, так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

    Краткая теория

    Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

    Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

    Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

    Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

    Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:


    Пробуем


    Итак, маленький элемент — 5В*2А, большой — 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

    Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.


    Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

    Выкатываем тяжелую артиллерию


    Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…



    Выводы и видео на сладкое


    Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

    Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:


    PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.
    Share post

    Comments 58

      0
        +2
        Да, это я ошибся. Той копии больше нет :-)
        +5
        Эээ… а ничего, что у полупроводников, которые используются в Пельтье с уменьшением температуры увеличивается сопротивление?! и тупо в какой-то момент выделение Джоулева тепла сравняется с охлаждающим эффектом…
          0
          Ну, проблема там многогранная. С точки зрения полупроводника — снижается мобильность носителей заряда.
            0
            А и да, ещё один тонкий нюанс, расстояние между горячей и холодно поверхностью должно быть минимальным, т.е. для 100% КПД они должны быть совмещены (или не работать)…
          –5
          Мне одному показалось, что автор захотел запитать кулер процессора от элемета Пельте?
            0
            С сухим льдом можно делать и более веселые вещи)) Например «бомбу». Набивается пластиковая бутылка по максимуму сухим льдом, и заливается водой(любой температуры), и через некоторое время(зависит от температуры воды\окр. среды) бутылку разрывает. лучше делать на улице =) Кстати показывали в разрушителях мифов))
              +8
              Боюсь, в Москве так лучше не шутить :-)
                0
                Да ладно) История знает случаи взрывания и пластиковых бутылок газеткой в селитре))))
                +1
                О да, я в детстве делал так, но только из карбида.
                Примерно как эти парни.
                  0
                  Мы еще прожигали дырочку иголкой, и поджигали. Тогда с файрболом бахает.
                  +1
                  А мы так когда то на заводе развлекались. Намораживали сухого льда в рукавицу (открыв углекислотный баллон и надев на вентиль варежку рабочую) и совали его в батл пластиковый, воды пол бутылки, сухого льда туда, крышку снаружи чуть ножом надрезать по кругу (чтобы срывало при превышении давления) и все это в жестяную трубу. Реактивный миномет готов!

                  Удавалось батлы закидывать на территорию соседнего цеха. А потом по заводу байки расходились о падающих с неба бутылках из под газировки. Винили самолеты и хреновую экологию.
                    0
                    Весело у вас там однако :-)
                  0
                  Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом

                  Что-то это скучно и уныло…
                  С оставшимся сухим льдом надо было поступить вот так например.
                    0
                    Он собственно и использует описанный в конце трюк для бедных со спиртом :-)
                      0
                      Я в экстремальном охлаждении не силен, но вроде спирт используют всегда — иначе сухой лед будет паршиво забирать тепло, плохой контакт со стенками.
                        0
                        Нужно было наложить нескучную музыку
                        0
                        При таком охлаждении обычный «офисный» процессор от температурных напряжений не ломается?
                          +1
                          А у «офисного» процессора то же ядро, что и у экстремального :) Ну может чуточку кастрированное и менее тщательно отобранное, не более того.
                          На самом деле, от низкой температуры еще ни один камень не сломался, в худшем случае он не заведется при слишком сильном охлаждении и потребует «оттаивания» (колдбаг). А вот те два вольта, которые товарищ из ролика пустил на ядро, способны довольно быстро убить любой процессор вне зависимости от температуры.

                          Есть куда больший хардкор — www.overclockers.ru/hardnews/31713.shtml
                        +1
                        В начале 90-х пробовал советские элементы Пельтье. Температуру я тогда не замерял, они для другого нужны были, но лед на поверхности образовывывался моментально. Я такие ледяные иглы знаю, они плучаются если железку охлажденную градусов до -60 вытащить из фризера на воздух. На -40 это чудо уже не так впечатляет. Т.е. на глаз там было от -30 до -50. Кожа примерзала моментально.
                          +2
                          Да, советские элементы ясно не для охлаждения колы до 0С были сделаны, а для охлаждения ИК матриц в головках наведения ;-)

                          Соответственно, диапазон эффективной работы совсем другой.
                            0
                            А сейчас такие где достать можно?
                              0
                              D первую очередь по радио барахолкам. И тогда они стоили 20 баксов.
                                0
                                Так тут же в комментах ссылка на отечественные пельтьешки :-)
                              +2
                              А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получится 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

                              Это ведь была шутка? :)

                              Вопрос: есть ли тем не менее смысл в таком охлаждении? Какую температуру выдавали сенсоры?
                                0
                                Конечно шутка :-)
                                Больше 2-х стадий я не пробовал, смысла нет никакого с элементами одного типа.
                                  +7
                                  Жаль, я был бы не прочь посмотреть на -315 градусов, да и все научное сообщество, тоже :}
                                +1
                                Мну как-то пытался сделать мини-кондиционерчик.
                                Между двумя пластинами пельтьешки, сзади водоблок, спереди вентилятор.
                                С обеих сторон датчики следят за температурой, тинька 2313 управляет работой вентилятора, насоса и пельтьешек.
                                Как ни странно, не удалось сделать герметичный водоблок. Делал 3 варианта и всё равно были протечки -_-
                                Отложил тогда, так и лежит…
                                  0
                                  В статье не была указана еще одна причина неудачи: элемент Пельтье, как и все охладительно-нагревательные установки, имеет ограниченную мощность. И если между двумя его сторонами слишком быстрый теплообмен — ничего не получится, даже несмотря на прочие идеальные условия.
                                    0
                                    Уточнение: а скорость теплообмена, между прочим, прямо пропорциональна разнице температур.
                                    0
                                    Попробуйте глянуть такие модули тут www.kryotherm.ru
                                    Вроде российские/советские разработки, также есть интернет-магазин, что для предприятий подобного уровня просто нонсенс.
                                      0
                                      Что-то я не вижу магазина, можно ссылку? Интересно глянуть цены.
                                      По характеристикам — из того что есть в наличии — deltaT — максимум 83 вижу, и не ясно как ведет себя при низких температурах.
                                        +1
                                        Вроде магазин тут http://shop.kryotherm.ru/
                                          0
                                          В Криотерме кстати есть в проджае аж четырехкаскадные термоэлектрические модули — www.kryotherm.ru/ru/index.phtml?tid=80

                                          Суда по всему позволяют выжать дельту по температуре в 138 градусов (при комнатной).
                                        0
                                        Элементы Пельтье к криогенике никакого отношения не имеют!
                                        А насчет зависимости разности температур холодного и горячего спая от температуры горячего — да, есть такое. Чем ниже температура горячего спая, тем меньше эта разность.
                                        Ну, а обычный элемент Пельтье где-то 60°C дает разницу при температуре горячего спая в +20°C.
                                          0
                                          Вот в том то и дело, что не дает 60С разницы если на горячей стороне 20С.
                                          На горячей 20С — на холодной -19, всего 39С.

                                            0
                                            Какой-то у вас Пельтье уж больно китайский был… Я говорю об элементах, которыми обычно ПЗСки охлаждают, например, такую: при температуре горячего спая в +25°C, холодный вполне имел -35°C (правда, нужно применять водяное охлаждение, или же иметь температуру окружающего воздуха где-то ближе к 0°C, если пользуетесь воздушным).
                                          0
                                          «20С-67*5 = -315 градусов» интересно, учитывая, что температуры ниже -278 С с хвостиком температуры недостижимы.
                                          0
                                          «А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных»» не больно то и получится, там те же -78 С, а в жидком азоте за -190 С. Изопропиловый спирт, а чаще ацетон используют только как теплопроводящую незамерзающую жидкость.
                                            +1
                                            Ну, на 100 градусов холоднее комнатной температуры или на 200 — разница всего вдвое :-)
                                            Для многих применений этого достаточно, особенно для обморожений :-)
                                            0
                                            Китайская сборка очень суровая конечно, интересно насколько правильная теплопроводящая керамика там?
                                              0
                                              Скажите ка, знающие люди, а этим устройством можно ль будет коробок для картошки(2м^3, стенки по 10см из пенопласта) охладить с 40 до 5 градусов м.б. немного +-?
                                                0
                                                картофельную яму на 6-7 метров под землю будет проще и дешевле вырыть, там круглый год градусов 5-10 (смотря где географически). Но опасайтесь грунтовых вод.
                                                  0
                                                  Вот кстати идея — закопать под землю только радиатор водяного охлаждения ;-)
                                                  Его можно и глубже 10м, т.к. на верх — только трубки с водой.
                                                  Так наверное можно не только картошку, но и весь дом охлаждать летом (не говоря уже о компьютере).
                                                    0
                                                    Поднимать воду не слишком много энергии уйдет?
                                                      0
                                                      Так цикл замкнутый — поднимать ничего не нужно, затраты только на трение воды о шланг, в нижней точке просто давление воды будет в 1 атмосферу и все.
                                                      0
                                                      Это широко используется в Скандинавских странах. В буквальном переводе — геотермалка. На глубину 10м закладывается труба длиной метров 600 (извилисто по всему участку у дома), а в доме стоит тепловой насос. И живут люди, вообще без газа и нефти :)
                                                        0
                                                        «Подземные» температуры стабильны круглогодично из-за низкой теплопроводности горных пород. Если вы будете «откачивать холод», то окружающая земля нагреется и эффект будет обратным.

                                                        Геотермальная энергетика эффективна если пласты земли подогреваются снизу магмой, например.
                                                        А охлаждение будет работать, ну если под землёй проточный подземный водяной пласт (река) есть, к примеру.

                                                        0
                                                        С 10-го этажа в Киеве не очень удобно яму копать. Да и соседи косо смотреть будут. А запас овощей не помешает небольшой.
                                                        0
                                                        Пустую коробку точно можно охладить, а вот заполненную — только если речь идет о поддержании температуры уже охлажденных продуктов.

                                                        40W теплопереноса — будет достаточно чтобы компенсировать потери тепла через пенопласт и редкие открывания, а вот тонну картошки охлаждать получится со скоростью 3.43*1000*1000/40 = один градус в сутки.
                                                          0
                                                          Тонну врятле я туда пиать буду, там пока больше места ящики занимают нежели сама картошка, зимний режим я лампочкой накаливания+ терморегулятором обеспечил, а вот летний думаю как сделать, в принципе на ибэе щас заказал парочку таких приблудин, вот собсно сам и проверю при положительных результатах исследований поделюсь с общественностью.
                                                        0
                                                        У меня долгое время стоял кулер с Пельтом. CoolerMaster V10 — отлично справлялся, между прочим. «Ниже нуля» он не опускался, конечно, но с охлаждением четырёхядерника от интел справлялся на ура. Сейчас, к сожалению, лежит на полке — нет крепления для сокета 1155, его место занял V6GT :(
                                                          0
                                                          А мне, например, больше интересно какое количество тепла этот элемент может через себя прокачивать. Если он будет отводить 300 Вт от проца видюшки, то меня мало будет волновать что он может охладить его «только» до -19 градусов.
                                                            0
                                                            Если берем 400W элемент, то на максимальной мощности он сможет прокачать 170W тепла при нулевой разнице температур, и около 85W при разнице 40 градусов (ну и условии что холодная сторона не ниже нуля).

                                                            Вот такие пироги. А тепла — 400W целых отводить нужно. В общем, горячие компьютерные компоненты охлаждать этим трудно. Был безумный проект, где люди сделали киловаттную охлаждалку на элементах Пельтье с водяным охлаждением… И результат был так себе. Ссылку сейчас не нашел.
                                                            0
                                                            Как вычислить тепловую энергию, выделяемую элементами Пельтье, а именно
                                                            СOP (Cost Of Performance — КПД нагрева ) и дельту на охлаждение EER (Energy Efficiency Rating — КПД нагрева). Скажем, для элемента, который способен при комнатной температуре в 20 градусов по Цельсию охлаждать одну сторону до — 20, а другую нагревать до 40 градусов, потребляя 50 Ватт.
                                                            Или как вообще измеряют КПД элементов Пельтье или как бы Вы измерили в тепловом измерении?

                                                            Интересует практический вопрос для возможности использования данных элементов для рекуперации тепла в компактном рекуператоры (утилизируемый воздух еще сильнее охлаждаем, притяжной подогреваем).

                                                            Only users with full accounts can post comments. Log in, please.