Японський ютубер із каналу DENKI OTAKU поставив собі просту на перший погляд задачу: охолодити поверхню до мінус 60 градусів за Цельсієм за допомогою модулів Пельтьє. Що з цього вийшло — трохи несподівано навіть для нього самого.
Модуль Пельтьє працюж так, що подаєш струм — одна сторона холодна, інша гаряча. Всередині є напівпровідники p- та n-типу, з’єднані металевими пластинами. Метал з одного боку поглинає тепло, з іншого — віддає. Але є нюанс. Сам модуль під час роботи теж генерує тепло. І якщо гарячу сторону не охолоджувати достатньо активно — холодна сторона зрештою теж нагріється вище кімнатної температури. Автор продемонстрував це на початку: без охолодження температура «холодної» сторони поповзла вгору замість вниз.
Щоб досягти справді низьких температур, модулі склали у три рівні — один на одного. Логіка тут проста і красива: холодна сторона нижнього модуля стає відправною точкою для середнього, а холодна сторона середнього — для верхнього. Кожен рівень бере попередній за основу і тягне температуру ще нижче.
Але за це доводиться платити. Нижній модуль змушений відводити тепло від усієї системи одразу — і своє власне,
і від двох верхніх. Тому на нижній рівень пішов найбільший радіатор, який зазвичай використовують для охолодження промислових силових напівпровідників. Плюс потужний вентилятор, бо природна конвекція тут просто не справляється.
Для термічної пасти вибрали TC3-1G із теплопровідністю 8,5 Вт/(м·К) — у десять разів кращою за звичайну дешеву пасту. Рідкий метал не підійшов: він замерзає при низьких температурах.
Коли три модулі запрацювали разом, температура впала до мінус 55 досить швидко. Але далі система зупинилась — тепло з навколишнього повітря надходило швидше, ніж модулі його відводили.
Тут з’явився пінопласт. Звичайний будівельний пінопласт із теплопровідністю 0,036 Вт/(м·К). Автор зробив із нього ізоляційний кожух навколо модулів, залишивши невеликий повітряний зазор — адже теплопровідність повітря ще нижча, 0,024 Вт/(м·К). Прослідкувати, щоб пінопласт не торкався модулів безпосередньо, поклали ще один шар для блокування конвекції всередині.
Результат виявився разючим. Після ізоляції температура пробила мінус 60 і полетіла далі.
Далі почалась справжня інженерна рутина.
Три модулі — три незалежні струми. Автор перебрав близько 150 різних комбінацій, чекаючи по 2-3 хвилини після кожної зміни, поки температура стабілізується. Нижній модуль у фінальній конфігурації споживав 100 Вт, середній — 24 Вт, верхній — лише 5 Вт.
Підсумок: мінус 74 градуси при кімнатній температурі 26 градусів. А в зимових умовах, за розрахунками, реально дістатись до мінус 80.
Паралельно з саморобною конструкцією автор тримав під рукою готовий триступінчастий модуль Пельтьє вартістю близько 200 доларів. Власноруч зібраний обійшовся десь у 85. Різниця в ціні — більш ніж удвічі, але готовий модуль виявився ефективнішим: менше шарів термопасти і кераміки між ступенями знижують тепловий опір, і конструкція досягає низьких температур при меншому споживанні.
А потім він поєднав готовий верхній модуль із двома нижніми рівнями власної конструкції. І от тут сталося несподіване — температура впала до мінус 92 градусів. Автор сам, здається, не зовсім очікував такого результату. «Мабуть, це рекорд на YouTube для установок на модулях Пельтьє», — написав він. І схоже, що так.
На такому холоді автор охолодив резистор і електролітичний конденсатор. Резистор показав від’ємний температурний коефіцієнт — опір зріс із 991 до 1008 Ом. Конденсатор при мінус 70 змінив форму вихідного сигналу до невпізнанності — фронти стали майже вертикальними, що вказує на серйозні зміни всередині електроліту.
Практичного застосування для великих компонентів це не має — установка охолоджує об’єкти розміром із ніготь. Але для мікроелектроніки, точних вимірювань або просто дослідницького інтересу — цілком робочий інструмент.
Запис Мінус 92 градуси: японець охолодив електроніку за допомогою звичайних модулів Пельтьє спершу з'явиться на ProstoMob.
