وسایل لازم برای ساخت یخچال ماشینی و فرمول محاسبه المان خنک کننده TEC

یخچال یک وسیله‌ی کاربردی در شرایط مختلف است. مکانیسم‌های مختلفی برای کاهش دما در یک یخچال وجود دارد. اما در این پست راجع به المان‌های خنک کننده برای ساخت یک یخچال مطالبی را ارایه می‌کنیم. المان خنک کننده یک وسیله الکترونیکی بسیار ظریف و کوچک است که در اثر عبور جریان الکتریکی اقدام به جابجایی دما از یک سمت به سمت دیگری می‌کند. عملکرد این ماژول بسیار ساده ولی در عین حال کاربردی است. در این پست راجع به وسایل مورد نیاز برای ساخت یک یخچال کوچک برای خودرو صحبت می‌کنیم. هدف ما ارتقا دانش کاربران فارسی زبان است. همچنین رشد اطلاعات عمومی مدیران در شرکت‌های مختلف را مد نظر داریم. بنابراین اگر این مطلب از بلاگ دانشجو کیت برای شما ارزشمند بود و به اطلاعاتتان اضافه کرد، آنرا با دیگران به اشتراک بگذارید تا دانش فنی مدیرها و کاربران فارسی زبان در این حوزه و IoT رشد پیدا کند.

شناخت المان خنک کننده Peltier

المان خنک کننده Peltier یا معروف به اف‌کوپل (Peltier cooler) یک دستگاه الکتروترمویی است که برای خنک کردن یا گرم کردن محیط‌ها به وسیله جریان الکتریکی به کار می‌رود. این المان بر اساس اثر Peltier کار می‌کند، که توسط جان پلتیه یک فیزیکدان فرانسوی در قرن نوزدهم کشف شد. اصل کار این المان بر اختلاف دمایی ایجاد شده در دو نقطه تماس دو مواد مختلف الکترونی است که به جریان الکتریکی تحت معرفی جریان الکتریکی به عنوان منبع انرژی برای انتقال گرما یا خنکایی از یک سمت به سمت دیگر متکی است.

عملکرد المان Peltier برعکس عملکرد یک کمپرسور معمولی است. به جای انتقال گاز به داخل و خارج از سیستم (مانند کمپرسورهای فریون)، المان Peltier با استفاده از جریان الکتریکی گرما را از یک سمت به سمت دیگر منتقل می‌کند. وقتی جریان الکتریکی از یک جهت المان عبور می‌کند، یکی از سطوح المان گرمتر شده و سطح دیگری خنکتر می‌شوند. مزایای المان‌های خنک کننده Peltier شامل سرعت واکنش بالا، اندازه کوچک، نداشتن قطعات متحرک و عدم ایجاد ارتعاشات صوتی مزاحم هستند. این امکان را فراهم می‌کند که این المان‌ها در برنامه‌های مختلفی از جمله خنک کردن CPU های کامپیوتر، حفاظت از الکترونیک صنعتی، یخچال‌های کوچک و بسیاری از سیستم‌های خنک کننده دیگر به کار روند.

همچنین باید توجه داشت که المان‌های Peltier نیاز به منبع تغذیه الکتریکی مستمر دارند و مصرف برق زیادی دارند، بنابراین نیاز به مدیریت مناسب برق و کنترل دما دارند تا از جلوگیری از افزایش دما یا خرابی سیستم جلوگیری شود.

ساختار عملکرد المان خنک کننده

همانطور که اشاره شد مکانیسم عملکرد المان خنک کننده Peltier به تاثیر اصل Peltier بر مبنای انتقال گرما از یک سمت به سمت دیگر با استفاده از جریان الکتریکی است. در ادامه مکانیسم عملکرد این کامپوننت را به صورت فنی بررسی می‌کنیم.

• دو لایه نی-بیسموت (یا نی-تللورید): المان Peltier از دو لایه از مواد نی-بیسموت تشکیل شده است. این دو لایه در نقاط تماس با یکدیگر قرار دارند.
• جریان الکتریکی: جریان الکتریکی از یک طرف به دیگر از این دو لایه نی-بیسموت می‌گذرد. وقتی جریان الکتریکی از یک سمت می‌گذرد، الکترون‌ها درون لایه‌های نی-بیسموت حرکت می‌کنند.
• اثر Peltier: وقتی الکترون‌ها به نقطه تماس لایه‌های نی-بیسموت می‌رسند، اینجا اثر Peltier اتفاق می‌افتد. این اثر میزان گرما یا خنکایی تولید شده در نقاط تماس را تعیین می‌کند.
• انتقال گرما: وقتی جریان الکتریکی از یک سمت می‌گذرد، یکی از نقاط تماس داغتر و دیگری خنکتر می‌شود. اثر Peltier باعث انتقال گرما از نقطه داغتر به نقطه خنکتر می‌شود. این انتقال گرما به صورت معکوس هم اتفاق می‌افتد، بنابراین المان Peltier همچنین برای گرم کردن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• کنترل دما: برای مدیریت عملکرد المان Peltier و تنظیم دمای محیط، جریان الکتریکی از طریق المان کنترل می‌شود. افزایش یا کاهش جریان الکتریکی تاثیر مستقیمی بر دمای محیط دارد.

به طور کلی، المان Peltier به عنوان یک دستگاه الکتروترمویی عمل می‌کند که از اثر Peltier برای انتقال گرما از یک سمت به سمت دیگر استفاده می‌کند. این عملکرد امکان تنظیم و کنترل دقیق دما را فراهم می‌کند و در برخی از صنایع و کاربردها بسیار مفید است.

روش راه اندازی المان خنک کننده پلتیر

راه اندازی المان خنک کننده Peltier نیازمند توجه به جزئیات فنی و مراحل خاصی است. در ادامه توضیحاتی در مورد راه اندازی المان خنک کننده ارایه می‌کنیم.

• منبع تغذیه مناسب: برای راه اندازی المان خنک کننده Peltier نیازمند یک منبع تغذیه الکتریکی هستید. ابتدا مطمئن شوید که منبع تغذیه دقیقاً با مشخصات الکتریکی المان Peltier شما (مانند ولتاژ و جریان) سازگار است.
• ترتیب درست اتصالات: المان Peltier دو ترمینال (یک قطب مثبت و یک قطب منفی) دارد. اتصالات این المان به منبع تغذیه باید به درستی انجام شود. باید مطمئن شوید که قطب مثبت به قطب مثبت منبع تغذیه و قطب منفی به قطب منفی منبع تغذیه وصل شود. اشتباه در اتصالات می‌تواند به آسیب به المان و یا عملکرد نادرست آن منجر شود.
• استفاده از سیستم مدیریت حرارت: المان Peltier حرارت را از یک طرف به دیگر انتقال می‌دهد. بنابراین، شما باید برای کنترل دما و جلوگیری از افزایش دمای المان از یک سیستم مدیریت حرارت استفاده کنید. این سیستم می‌تواند شامل یک سنسور دما و یک کنترلر میکروکنترلر باشد که جریان الکتریکی به المان را تنظیم می‌کند. همچنین میتوانید از یک ماژول ترموستات هم استفاده کنید.
• هیت سینک و خنک کننده: مهمترین گزینه برای راه اندازی المان خنک کننده، استفاده از هیت سینک در هر دو سمت خنک شوند و داغ شوند اهمیت زیادی دارد. المان Peltier در ارتباط مستقیم با سطحی قرار می‌گیرد که باید خنک یا گرم شود. برای خنک کردن، یک هیت سینک به المان متصل می‌شود. این خنک کننده می‌تواند یک سینک حرارتی با پره‌های فن باشد.
• کنترل جریان الکتریکی: جریان الکتریکی به المان باید به صورت دقیق تنظیم شود تا دما را به دقت کنترل کند. این کنترل ممکن است از طریق کنترلر میکروکنترلر و یا سیستم کنترل دیجیتال انجام شود.
• نصب و تعمیر: بعد از اتصال المان Peltier به تمام مراحل مذکور، اطمینان حاصل کنید که همه اتصالات درست انجام شده و سیستم بدرستی عمل می‌کند. اگر مشکلی وجود دارد، ممکن است نیاز به تنظیم مجدد یا تعمیر باشد.

با رعایت این مراحل و استفاده از مشخصات فنی مناسب، می‌توانید المان خنک کننده Peltier را به درستی راه اندازی کرده و دمای مورد نظر خود را دستیابی کنید. همچنین توجه به مسائل ایمنی مربوط به برق و حرارت ضروری است.

مشخصات هیت سینک مناسب المان خنک کننده

هیت سینک برای انتقال حرارت و یا به طور دقیق‌تر جابجایی دما کاربرد دارد. دقت داشته باشید که در هر دو سمت المان بایستی از هیت سینک استفاده شود. بنابراین برای ساخت یخچال کوچک توسط المان خنک کننده، هیت سینک آلومینیومی با پره‌های بزرگ برای انتقال حرارت و هیت سینک کوچکتر با پره‌های کوتاه برای بخش خنک کننده نیاز است. از سمت خنک کننده کافیست به بدنه محفظه یخچال اتصال برقرار شود. این اتصال بایستی به صورت تماسی باشد، بنابراین امکان اتصال توسط پیچ و مهره هم فراهم است. بایستی هیت سینک‌ها از هر دو سمت بدون تماس با یکدیگر به بدنه المان خنک کننده تماس کامل داشته باشند. استفاده از فن برای انتقال حرارت تولید شده از سمت داغ شونده ماژول هم مورد تایید است. 

روش ساخت یخچال ماشینی با المان خنک کننده peltier

ساخت یک یخچال برای خودرو با استفاده از المان خنک کننده Peltier یک پروژه مهم و جالبی است. در ادامه، مراحل اصلی ساخت یک یخچال خودرو با المان Peltier را توضیح می‌دهیم. مواد و تجهیزات مورد نیاز به شرح زیر هستند.

• المان خنک کننده Peltier با مشخصات مورد نیاز (ولتاژ و جریان)
• یک سینک حرارتی با پره‌های فن
• سیستم مدیریت حرارت برای کنترل دما
• یک یا چند پره فن برای گرم کردن یا خنک کردن سینک حرارتی
• باتری یا منبع تغذیه خودرو
• جعبه یخچال یا محفظه‌ای برای نگهداری مواد خوراکی
• سیم‌کشی و اتصالات الکتریکی
• سنسور دما (اختیاری)

مراحل ساخت یخچال ماشینی

1. انتخاب مکان نصب: ابتدا باید مکان مناسبی برای نصب یخچال در خودرو انتخاب کنید. این مکان باید دسترسی به منبع تغذیه (تامین از برق 12 ولت خودرو) داشته باشد.
2. طراحی سیستم: این مورد شامل تعیین موقعیت المان Peltier، هیت سینک حرارتی، پره‌های فن، و قسمت‌های دیگر مورد نیاز می‌شود. همچنین باید نحوه اتصال جریان الکتریکی و سیم‌کشی را نیز در نظر بگیرید.
3. نصب المان Peltier و هیت سینک حرارتی: المان Peltier را بر روی سینک حرارتی نصب کنید. از مواد مناسب برای انتقال گرما (مثل چسب سیلیکونی) برای بهبود اتصال حرارتی استفاده کنید.
4. نصب پره‌های فن: اگر از پره‌های فن برای گرم کردن یا خنک کردن هیت سینک حرارتی استفاده می‌کنید، آن‌ها را نصب کنید و به منبع تغذیه متصل کنید.
5. نصب سیستم مدیریت حرارت: از یک کنترلر دما یا ترموستات برای کنترل دما استفاده کنید. این سیستم می‌تواند جریان الکتریکی به المان Peltier را تنظیم کند تا دما را مطابق با نیاز شما نگه دارد.
6. نصب جعبه یخچال: جعبه یخچال را در مکان مناسب نصب کنید و مواد خوراکی را در داخل آن قرار دهید.
7. اتصالات الکتریکی: اتصالات الکتریکی بین المان Peltier، سیستم مدیریت حرارت، پره‌های فن و منبع تغذیه خودرو را به درستی انجام دهید.
8. تست و تنظیمات: پس از نصب و اتصالات الکتریکی، سیستم را تست کنید و دما را به دقت تنظیم کنید.

مراقبت از مسائل ایمنی الکتریکی و حرارتی بسیار مهم است تا از ایجاد مشکلات و خطرات جلوگیری شود. همچنین توجه به نصب درست سیستم مدیریت حرارت و کنترل دما ضروری است.

محاسبات فنی برای راه اندازی المان خنک کننده

محاسبات ترمودینامیک برای راه اندازی المان خنک کننده Peltier بسیار مهم هستند تا دما و عملکرد سیستم را به دقت کنترل کنید. محاسبات ترمودینامیکی اهمیت بسیاری در طراحی و بهره‌وری یک سیستم خنک کننده با المان Peltier دارند. این محاسبات به شما کمک می‌کنند تا دما و مصرف برق را بهینه‌تر مدیریت کرده و سیستم را به دقت کنترل کنید. در ادامه، توضیحاتی در مورد محاسبات ترمودینامیکی برای المان Peltier ارائه می‌کنیم.

• مصرف برق: برای محاسبه مصرف برق المان Peltier، از قانون توان الکتریکی (P = VI) استفاده کنید، که در آن P نیاز به توان برق (وات)، V ولتاژ (ولت) و I جریان الکتریکی (آمپر) است. برای مثال، اگر المان Peltier شما نیاز به ولتاژ 12 ولت و جریان الکتریکی 5 آمپر داشته باشد، مصرف برق آن برابر با P = 12 ولت × 5 آمپر = 60 وات خواهد بود.
• انتقال گرما: برای محاسبه توان خنکایی یا گرمایی المان Peltier، باید از قانون انتقال گرما (Q = mcΔT) استفاده کنید، که در آن Q مقدار گرما (وات)، m جرم مواد (کیلوگرم)، c ظرفیت گرمایی (جول بر کیلوگرم درجه سلسیوس) و ΔT تغییر دما (درجه سلسیوس) است. مقدار c بستگی به ماده المان Peltier دارد و باید از مشخصات تولید کننده یا دستورالعمل‌ها برای آن ماده استفاده کنید. این محاسبه برای کارکرد صحیح بسیار اهمیت دارد.
• کارآیی: کارآیی یک المان Peltier به معنای نسبت بین توان خنکایی یا گرمایی تولید شده به مصرف برق است. این مقدار باید محاسبه شود تا بفهمید که چقدر توان الکتریکی به توان خنکایی یا گرمایی تبدیل می‌شود. کارآیی (COP) معمولاً به صورت COP = Qc / W (که در آن Qc توان خنکایی یا گرمایی و W مصرف برق است) محاسبه می‌شود. برای یک یخچال خنک کننده، هدف افزایش کارآیی و کاهش مصرف برق است.
• تغییر دما: برای محاسبه تغییر دمایی که المان Peltier ایجاد می‌کند، از انتقال گرما و توان خنکایی یا گرمایی محاسبه شده استفاده کنید. تغییر دمایی (ΔT) برابر با ΔT = Q / (mc) خواهد بود.
• کنترل دما: برای کنترل دمای سیستم خود، از یک سیستم مدیریت حرارت مانند ترموستات استفاده کنید. این سیستم باید توانایی تنظیم جریان الکتریکی به المان Peltier را داشته باشد تا دما را در محدوده مطلوب نگه دارد. ترموستات میتواند به برق اصلی ورودی متصل شود و برای کنترل دما، جریان برق را قطع و وصل کند.

ساخت محفظه اصلی یخچال ماشینی

بهترین گزینه برای ساخت یک محفظه کاربردی مخصوص یخچال، ورق گالوانیزه است. این ورق ضخامت کمی دارد و در خصوص انتقال حرارت، بهینه عمل می‌کند. کافیست یک جعبه مکعبی مناسب توسط ورق گالوانیزه بسازید. سپس با پوشش ایزوگام آنرا عایق کنید. بخش‌هایی که قرار است المان خنک کننده به ورق گالوانیزه متصل شوند را خالی بگذارید. با این روش محفظه یخچال عایق شده و نسبت به افزایش راندمان آن کمک می‌کند. به عنوان مثال برای ساخت یک جعبه گالوانیزه با ابعاد 20 سانتی متر در 20 سانتی متر در 20 سانتی متر که دارای حجم 8 هزار سانتی متر مکعب است، کافیست 6 قطعه ورق گالوانیزه را با این ابعاد به هم متصل کرده و توسط جوش مناسب، یک مکعب بسازید. پس از آن در هر وجه آن میتوانید از 6 تا 9 المان خنک کننده استفاده کنید. برای بهینه‌تر شدن عملکرد یخچال میتوانید از المان‌های خنک کننده در دو وجه یا سه وجه یا چهار وجه این مکعب استفاده کنید.

جمع بندی

در این پست سعی کردیم به ساده‌ترین حالت ممکن روش ساخت یخچال ماشینی با المان خنک کننده را توضیح دهیم. برای اینکه راندمان مناسبی داشته باشید، بایستی نسبت تعداد المان خنک کننده پلتیر را به حجم محفظه رعایت کنید. نکته اول اینکه نمیتوانید یک یخچال با حجم زیادی درست کنید. بایستی حجم محدودی برای آن در نظر بگیرید. همچنین روند دفع حرارت تولید شده از المان پلتیر هم اهمیت زیادی دارد. بنابراین یخچال مورد نظر بایستی در مکانی قرار گیرد که امکان دفع حرارت تولید شده فراهم باشد. هدف ما ارتقا آگاهی کاربران فارسی زبان است. بنابراین اگر تمایل به استفاده از المان خنک کننده پلتیر دارید، حتما دقت داشته باشید که با یک عدد کار خاصی نمیتوانید انجام دهید. حتما تعدادی مورد نیاز را به صورت تخمینی و یا با فرمول اعلام شده در این پست محاسبه کنید. استفاده از هیت سینک در هر دو طرف المان اهمیت زیادی دارد. بنابراین خرید پلتیر خنک کننده بدون هیت سینک امر اشتباهی است.