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[這篇文章最後由OutRunner在 2005/04/08 11:44am 第 5 次編輯] rt
溫控冰箱 自己做 (4/8 異動內容: 前言&溫度控制內容小改);H
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1. 前言:G
這一篇的內容是自製溫控冰箱, 希望盡量講的深入一點, 所以內容可能有點硬, 部分內容可能解釋得不很清楚(偷懶), 請多包涵, 有溫控需要的人可以參考看看.%7&'I
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藍色文字代表連結, 可點選查看內容.NKjU
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新蟲友可先參考去年的舊文:YDN
DIY冰箱 IoS
DIY冰箱 II%p^ .
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2. 材料:dIV BB
1. 木櫃 - 1個 $100 - 98x63x72cm-ch0
2. 致冷晶片 - 1片 $280 - TEC1-127.10 (最近漲價?)MipFs
3. 保力龍片 - 6片 $200 - 60x90x2.4cm%Nx
4. 水冷系統 - 1組 $700 - 含水箱/幫浦/水冷頭/散熱排RL)
5. 散熱片 - 1個 $100 - 7x12x5cmMVM
6. 風扇 - 2顆 $100 - 6x6cmg/i)iB
7. 電源供應器 - 1個 $100 - AT 250W#
8. 溫度開關 - 1個 $400 - 0~40度C'0Oi
9. 可變電阻 - 1個 $100 - 50W 2Ω (選配)W,~s
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3. 理論與計算:LH*
自製冰箱最重要的就是要達到降溫目的, 所以這裡先講解一下降溫的兩個重點, 冷卻能力與隔熱效果, 以免做出來的冰箱不敷使用.fPU)+>
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冷卻能力:QAf 0
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致冷晶片的冷卻效率受到許多因素影響, 包括規格/電流/溫差等. 這次我們使用TEC1-127.10的最大致冷力是88.9W, 這是規格中在理想狀況下的致冷力, 當然在一般使用下是不可能達到的. 因此, 我們必須先大致估算一下我們的冷卻系統實際的冷卻能力.bVKNF?
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致冷晶片的致冷力並不是跟電流成正比, 請參考廠商提供說明-致冷力與電流的關係, 實測中接上電源供應器12V, 測得電壓11.6V, 電流7.2A, 耗電量84W.qepK
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影響致冷力的另一個因素則是冷熱面兩端的溫差, 溫差越小效率越高. 綜合電流與溫差, 廠商提供一個估算致冷力的方式-能源轉換效率-說明/圖表, 因此我們可以計算I/Imax與dT/dTmax來查出COP以估算出實際的致冷力.(,m6&C
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首先我們要訂定使用環境的溫度與冰箱的預定溫度, 就我的例子而言, 我希望可以在夏天室溫30度C的時候, 冰箱溫度不超過20度C.e
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再來就是冷熱面實際溫度估算.致冷晶片熱端部分我們使用水冷散熱, 一般來說, 銅製水冷頭的散熱效果非常好, 因此估計晶片熱端比水溫高3度C. 再來是水溫, 冷卻水主要是借由散熱排來跟空氣做熱交換, 而晶片的耗電量加上致冷力超過100W, 因此估計水溫比室溫高7度C. 冷端的部分使用鋁製散熱片, 雖然配上兩顆風扇, 但散熱效果有限, 因此估算冷端比冰箱溫度低10度C.@C!Q[3
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系統各部分的溫度: 室溫30 <-> 水溫37 <-> 致冷片熱端40 <-> 致冷片冷端10 <-> 冰箱溫度20p
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估算致冷力所需的參數都有了:|dkM
I = 7.2 (操作電流),
Imax = 10 (規格最大電流)tr@i
dT = 30 (致冷片熱端與冷端的溫差)Vz'wp
dTmax = 67 (規格最大溫差){
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算出:ao]S
I/Imax = 0.72Wd*Nn
dT/dTmax = 0.45fw5]&
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看圖得出: COP = 0.57hf$t<
加上先前算出的 耗電量 = 84WyG,61d
得到 致冷力 = 47W]Tu~
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以上的估算雖然不是很精準, 但希望借由這個步驟, 可以使大家了解整個冷卻系統的流程, 以及如何增進致冷晶片的效率, 以達到冰箱所需的冷卻效果.kBT*a
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隔熱效果:>e~9
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影響隔熱效果的因素有溫差, 隔熱材料的熱傳導係數, 隔熱材料的厚度, 接觸面積, 用一公式來表示:siMG7H
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熱傳導速率 dQ / dt = k * A * dT / h(Q
Q:熱能, t:時間, k :熱傳導係數, A:截面積, dT:溫差, h:厚度}\l[
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我們使用的隔熱材料是保力龍, 熱傳導係數是0.037W/m℃, 厚度0.024m, 木箱內部尺寸0.9x0.6x0.6m, 加上保力龍板後內部面積為2.48平方公尺, 預定溫差10℃.?U9gj
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根據以上數據, 得到 熱傳導速率 = 38WC!5w'
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加上冰箱內兩顆風扇耗電量4W, 維持比室溫低10℃所需的致冷力為42W, 小於先前估算的致冷力, 雖然如此, 還是得再次強調, 這些計算的結果跟實際相比可能還是會有落差, 這裡的用意主要還是想讓大家了解影響冰箱溫度的所有因素, 這樣才能夠依照個人所需, 製作專屬的實用冰箱.^
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ps. 這裡並沒有考慮到食材所產生的熱量.b
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4. 溫度控制:oI%q
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這是一張冰箱的外部配件圖, 可以看到一個溫度開關與可變電阻.M5
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一般來說, 單獨使用溫度開關就可以達到溫控的目的, 不過這裡我們可以藉由致冷晶片的特性, 使溫度控制更加得心應手.%`/}9U
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供給致冷片不同的電壓, 可以得到不同的冷卻效率, 因此可藉由溫控電路來達到恆溫的效果, 但由於經濟考量, 將自動換成手動, 用簡單的可變電阻來供給不同電壓.v
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電源供應器的輸出電壓(5V/12V)可經由串接不同的電阻值來調整致冷晶片的操作電壓, 以得到適當的冷卻效率. 然而當室溫變化時, 冰箱溫度也會跟著變化, 因此, 必須再搭配一個3Pin的溫度開關, 當溫度過高時, 供給12V快速降溫, 當冰箱降到適當溫度後, 自動切換供給預先調整好的低電壓, 保持溫度穩定.cE!UI
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兩段式功率可以減少溫度高低變換的頻率, 也有節省能源的效果, 實測中, 2V可以降2.5℃, 5V可以降6℃, 耗電量可是跟電壓平方成正比喔! 當然啦, 電阻也浪費了一些, 但總體來說還是節省不少.aAd~J_
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5. 土木工程 :c
這裡不會講太多的細節, 尤其是冷卻系統的組合, 可以參考DIY冰箱 I.~PHS
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剛買來的木櫃:.=^
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將中間兩片鋸下來做門:@O
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貼上保力龍:Sy|s
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安裝冷卻系統:(6s?e
 3
©昆蟲論壇 -- 昆蟲論壇 {'ww
完成. (會不會太混?)3Pz?qI
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6. 後記:w
冰箱已經製作測試完成, 上週開始使用, 目前狀況良好.y%
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有任何問題歡迎po出來一起討論, 因為你的問題可能也是別人的問題, 所以請減少單獨來訊的可能.0/s-
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2005/04/06 06:11:54pm 
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