用致冷晶片自製除濕箱

第 100 篇文！

本實驗室為了有效的使用空間而自製一個電子式除濕箱
途中遭遇許多困難, 而最終結果有些限制但還可接受因此記錄下來
可以的話建議用戶買現成的, 真的不要自討苦吃XD
除非你和我一樣是規劃空間時忘記預留除濕箱位置才自己製作特殊尺寸
不過我記得有廠商有提供客製服務, 有需要先去問問再做決定

這項計畫原先是很單純的, 我在網路上找到一個除濕主機, 長這樣：


背面：

只要有個箱子挖個指定大小的孔裝進去, 這樣就能用囉, 很不錯吧?
一月時就買了, 由於採購家電家具整理雜物花了很多時間所以買來就丟著
五月中才把它挖出來, 想說梅雨季來了, 趕快裝箱保護我的相機和鏡頭

需被保護的就這些, 沒很多, 有些鏡頭還是壞的, 做紀念用XD

結果才放幾個月拿出來：

注意上圖右上角, 塑料居然裂了......那不是我拆壞的, 拿出來就這樣
這挺爛的啊, 這樣沒問題嗎? 既然都裂了就打開看看裡面有啥好了
拆開一看, 靠杯, 這不是吸濕顆粒嗎? (上圖鐵盒中的顆粒) 該不會是升級版的水玻璃吧?
玩過水玻璃產品看一眼就幾乎能猜到運作原理, 估計就像倒水一樣
先吸收箱內濕氣, 然後對外加熱釋放水汽, Google 以後發現果然如同預期


圖片出自：相機防潮防霉有辦法！



訊息來自：Hi-Speed Electrical Co.


別再胡亂選防潮箱了：收藏家與防潮家是不同家的
收藏家：吸附式代表
防潮家：致冷式代表

吸濕顆粒不好嗎? 有人說好的吸濕顆粒可以用十幾年, 但哪家用的是好的我不知道
至少我手邊的水玻璃就有限制, 用個幾次就可以感覺到性能衰弱, 不過還好它很便宜
扔了換一包就是了, 反正都要手動還原, 還原時順便換掉即可
但如果相機常拿出來用, 這樣就很麻煩了, 開箱越多次, 就要越頻繁還原
電子式除濕箱就是自動化這個流程, 不過在我真的拆開這機器之前我還真沒想過這作法
我只想現成的買來用就好啦, 管它怎麼做的, 但只要我看到了, 我們就要依需求挑選
既然是常開啟的, 就要改用晶片製冷除濕法, 速度較快, 而且材料容易取得

我先說明我這機器怎麼做的, 後面再紀錄頭痛的除錯過程
核心元件：致冷晶片


我採用的是 30x30mm, 8.5V 3.4A 致冷晶片, 全白的沒印字, 裡面有附規格

這圖表我看了老半天看不懂, 不是說最多 8.5V 怎麼縱軸數字到 20
推測應該是上下印反了, 縱軸上半才是電壓, 下半是 QC
這樣看來輸入 5V 應該會吃 2A 電流, 通常致冷晶片有印字那面會冷
這片都沒寫就只能用試的, 接上 5V 3A 變壓器, 等約 2 秒斷電, 然後摸晶片表面
正常會一邊冷一邊熱, 不要通電太久, 沒接散熱的話久了發熱面會超燙！摸了會燙傷的
若沒散熱一直送電也會燒壞晶片

接著準備散熱器, 這是友人贊助的散熱器

上半部全銅, 高檔！不過下半部：

這應該是鋁基座, 陽極處理成銅的顏色XD 不過這樣對我的應用才好, 鋁容易加工
由於我不是用在主機板上, 沒有扣具, 因此需要用別的方法固定, 像這樣：

中央鑽孔, 然後攻牙, 這樣可以鎖到鋁片上, 右邊鋁片是 40x40mm 12V 致冷晶片在用的
鋁片一樣中央鑽孔, 然後就可以鎖到散熱器上, 散熱器和鋁片間塗散熱膏加強導熱

這樣我就可以利用這兩根螺絲把散熱器和致冷晶片夾起來
鋁片上用銼刀挖兩個凹槽給致冷晶片的電線走

電線就放進凹槽：

然後加工一塊鋁片成熨斗的形狀用來夾住致冷晶片

雖然是熨斗的形狀但並不會燙, 它是製冷端, 這形狀是為了方便蒐集水滴

接著製作箱體, 用發泡板組裝, 這發泡板我原先是要做櫃子的門
但因為表面有點弧度蓋不平, 加上它蠻重的, 所以就轉移使用用途
我買的厚度為 10mm, 這東西不難買但很難運送
一片基本尺寸為 240x120cm, 一次至少買一片, 要找可以代客裁切及寄送的店家
而且我是轉移應用, 如果只是要做除濕盒並不需要這麼大片
但這種材料具有不吸水, 易加工, 耐久的特性, 若不用這種我還真沒想到有什麼替代品
這材料切割時就用木工的工具, 切起來和木頭差不多, 只是木頭味換成臭臭的塑膠味XD
還有因為是發泡, 結構均勻, 而木頭則是依纖維方向強度不同, 順著纖維比較好切
發泡板細部加工容易, 可用刀片區域雕刻, 因此可輕易挖槽, 製作卡榫結構

組裝箱體時所有接合面都塗上矽利康後鎖螺絲固定, 除濕用的氣密要做好
機器才不會做白工, 雖然不可能完全氣密, 但還是要盡可能的做, 能減少多少是多少
由於塗矽利康會沾手不方便拿相機故沒有過程只有成果, 大概就長這樣：


箱體完成後接著是窗口, 用壓克力, 取材自螢幕保護鏡：

這螢幕停用了, 保護鏡之後也是丟掉的份, 不如廢物利用, 把它切下當窗口

壓克力加工要有耐性, 切快刀會熱融化壓克力會黏刀, 力氣太大則可能斷裂, 因此要慢慢來
一般都是雷射切割, 我是廢物利用故自己動手慢慢切
切完後四周貼上紙膠帶, 然後在窗口四周塗厚層的矽利康, 再把這壓克力平放在窗口上：

等矽利康硬化後撕下紙膠帶就可形成一貼合壓克力的矽利康邊框
由於塗膠時內側碰不到, 通常不會一次就塗好, 撕下紙膠帶就可以發現矽利康內側有孔洞
就再塗一次, 一樣再貼上紙膠帶, 我塗了兩次才完成
這樣做出來的邊框氣密性並不算好, 遠不如現成產品的橡膠+軟磁鐵條, 但那種東西是客製品
買不到, 只好用矽利康邊框替代, 盡可能減少縫隙, 壓克力上用強力磁鐵壓合邊框


接著加工一塊發泡板用來固定致冷晶片和散熱器


背面：


致冷片會這樣裝進去：


致冷晶片產生的水用鋁溝槽引出, 溝槽內置海綿吸水：


裁切成小段並放入海綿：


內側加工一塊發泡板拉住致冷模組卡緊：


引出外側做一個支架放接水盆, 水盆內置海綿吸水：

鋁溝槽的海綿和接水盆的不同, 鋁溝槽用的是洗車海綿
它會吸水, 但水份很快的隨重力往下引出, 本身不容易含水
這樣可以快速把水導出, 不會留在箱內重複蒸發
接水盆的海綿則是木漿海綿, 其特性是會吸水還會保持水分, 讓整塊海綿維持溼潤
我認為這比較有利於箱外蒸發, 同時不要讓水直接累積盆中, 這樣會養蚊子
這致冷晶片配散熱器和引水設備就是我的除濕總成, 如果不在意省電問題
除濕總成通電以後就可直接使用, 具備除濕效果, 可全天運轉, 我的致冷晶片和風扇都接 5V
以這顆晶片來說需要 5V 3A 的變壓器, 風扇接 5V 很安靜, 耳朵貼近也聽不到什麼聲音
用電流勾表量工業變壓器 110V 端只有 0.07A, 功耗 7W, 反推致冷電流應該只有 1.5A

接著我們量測濕度變化, 由於中間換過料
這圖表測試的致冷晶片是 7105, 但最後安裝是 7103
不過我覺得應該沒差太多, 測試時安裝六顆 DHT-11 溫濕度感測器
這玩具是便宜貨, 一顆 30 元, 精度就別計較了
所以我們只觀察它數據變化的趨勢即可, 以下為開機數小時的數據

每 5 秒取樣一次, 720 個樣本即是 1 小時, 大約 5 小時就穩定在 50
可能受限於氣密性它只能除濕到 50, 而且會受環境濕度影響, 當時環境濕度高, 接近 80
結果隔天變天, 環境濕度突然陡降, 我讓它測了三天, 結果如下：

4320 個樣本即是 720x6 = 6 小時一格, 最低可以降到 30
後來環境濕度又上升, 它又是停在 50
50 對於相機來說應該夠用了, 50 包含誤差
我拿別的溼度計則是顯示 41, 我也不知道誰是對的XD
這 DHT-11 在公司吹冷氣時量出 60 左右, 比吹冷氣還低應該就 OK 了

接著我們用 MCU 來管控耗電, 我認為最低 40 應該就夠用了
只是存放相機, 不是什麼高級古董, 當環境濕度低時應該停止除濕
雖然這種低濕度的日子不多, 但至少我就遇到, 而且夏天吹冷氣
冷氣也就是在除濕了, 這時應該停止運作, 就算只有 7W 能省還是要省, 這是我的控制器：



WT-16-B, 電路圖：

黑色是板上的, 紅色是外接的, 這電路板某些用戶應該看就知道這原先是幹麻用的
由於還卡關所以只貼出和本計畫有關的部份
該計畫和本計畫一樣都是一開始看似簡單結果越扯越多
只是本計畫有結案, 該計畫卻炸了, 三進三出, 進入第四進後設 pending
再下去就要變子龍機啦XD 說來話長以後再說明, 先跳過
用 MCU 控制 FET, 讀取濕度, 低於 40 就關, 關閉後等超過 40 再開
採用 PT6961 製作的七段顯示器顯示, 平常維持關閉, 晚上睡覺時才不會變手電筒
這白光超亮！只有按下按鈕才顯示溫濕度, 這合理吧, 誰會沒事一直看?XD
按下後顯示溫濕度, 此時若再按按鈕則開關箱內 LED, 照明箱內物品用
LED 有三顆：

草帽散光型, 已裝限流電阻, 用泡綿膠黏在箱內

韌體源碼：dehumidifier-src.zip

編譯使用和前篇 在 ubuntu 上開發 nuvoton m051 實驗板 相同, 直接可用
風扇和致冷晶片原先是分開控制, 最後是合併使用, 料已經上了就不拆了

變壓器用工業用的

規格書：RS-15-5 RS-15系列 15W单组输出开关电源
多種安規, 有過壓/過載/高溫保護, 等狀態恢復會重新嘗試送電
一開使用手機充電用的, 結果變得超燙, 感覺到夏天會很危險, 所以買這散熱比較好的
它就只會比較熱, 摸起來還行, 由於放這除濕箱的位置較高, 沒有防潑水需求, 還行

全部的樣子：


接著安裝到目的地

完全貼合角鋼架, 所以除濕總成要先取下, 箱子推進去, 再把除濕總成鎖上
因此除濕單元做成一個總成就是為了這安裝需求, 這樣可以使用最大的容積

開機：

顯示 ---- 然後量測濕度, 結果出來後若有需要會啟動除濕總成

顯示濕度


顯示溫度, 再按一下開燈：


若 30 秒後沒按按鈕就清空七段顯示器並關閉 LED 燈
此時若要確認機器是否運轉, 看變壓器的綠燈即可, 綠燈亮即是正常送電


經過約兩小時：

環境濕度超過 80, 箱內濕度 50, 功率低速度較慢, 但還是可降下來


另一日乾燥, 抵達目標 40, 別家方案顯示 33

---

接著來紀錄痛苦過程
一開始使用 12V 的致冷片, 這最多人用容易取得, 我手邊就有, 以前用過, 直接拿來裝

由於沒做過這種東西, 實在不知道如何下手, 一開始學一般除濕機, 想說怕太冷
用銅片固定散熱器, 內外都裝散熱, 期望熱風送到致冷片上更容易凝結水


12V 灌進致冷片和風扇, 哇靠, 聲音真大, 吵死了, 而且就算用上 12V 6A 變壓器
還是不夠致冷片吃, 風扇速度下降 (但還是很吵), 內側也有風扇, 希望增加對流
結果連續運轉卻發現沒有太強除濕效果, 散熱片別說結冰, 連水滴都沒有
經過一些實驗後推測可能是過熱了, 畢竟網路上賣這晶片配的散熱器都超大顆
於是寫程式控制, 致冷片啟動 250 秒後就斷電, 但風扇繼續開著
這就是上面寫風扇分開控制的原因, 接著等 60 秒風扇再關掉
然後休息一下, 再開致冷片和風扇

結果終於凝水了, 但是水遲遲不滴下, 製冷端散熱太大, 所以換一小塊鋁：

先切一邊看會不會容易引水, 修改後果然就滴水了, 但是滴水中有雜質：散熱膏
塗了散熱膏所以凝水後一起流下來了臥槽！

趕緊拿衛生紙來吸, 結果散熱膏幾乎被沖光
所以後來安裝就都不塗散熱膏, 只有鋁片和散熱器接觸那裡有塗
看起來好像能用了喔? 但真是太吵了, 實在沒法用, 不過為了驗證可行性還是繼續做
裝進盒內, 設定濕度 40 就停, 結果這 12V 的確實給力, 五到十分鐘就降到 40
接著休息, 可是奇怪的是濕度回升很快, 大約五分鐘就升回 45 了
於是機器就每隔五分鐘啟動, 運轉五分鐘又停, 如此循環, 這比連續噪音還頭痛啊！
想說是不是氣密問題, 可是就算我把壓克力完全用紙膠帶黏起來結果也是一樣
我不禁開始懷疑是不是其他因素, 於是做了這個

因此前篇 WT-18 裡會有 DHT-11 的控制程式, 就是為了做這個
實在不知道問題, 就用感測器陣列繪出數據觀察其動態特徵
這是做日本專案學到的, 我接了 MCU 專案, 只有我一人做, 非常刺激, 沒有人可以救我
完全要靠自己, 而日本人驗收時就是用圖形化圖表, 以往我當業餘在使時都是看數據丟出來
連續丟, 看起來好像是對的就 OK 了, 沒在管數據如何變化的XD
日本要求就不一樣了, 他們就說：你的韌體在某些時候數據有一個小突起, 這樣不行, 要改
哇靠, 盯這麼緊喔XD 或是連丟一整天有時會突起一下, 一樣不行, 要改
最後都有闖關成功, 所以我就想, 濕度會不會也可以用一樣的方法觀察出問題?


於是裝了六顆感測器, 分散在箱內, 1-6 即是對應圖表 S1-S6


接 WT-18 送到電腦, 寫程式轉換數據丟到 console, 把 console 導到檔案後用 gnuplot 畫

結果如下, 溫度：


濕度：


雖然六顆感測器濕度一樣起起伏伏, 但只有第六顆起伏最大, 甚至跳到接近 70
而那顆感測器所在位置最靠近致冷模組, 這時就大概猜到問題來源了, 應該是那該死的風扇


致冷晶片關了風扇卻還開著, 失去製冷功能的晶片表面水汽就不再是凝結, 而是擴散
所以把風扇拿掉就可以減緩, 或是只有在晶片啟動的狀態開風扇
晶片關風扇跟著關應該也行, 但是這就表示晶片還是要長時間開著
一直在冷的狀態才不會進入擴散的狀態
我這 12V 的太吵太吃電, 或許可以用 PWM 減低功率, 但這樣風扇也要跟著做
有 PWM 就要有感測, 我還要量風扇溫度來改轉速, 不是做不到, 只是太複雜了！
後來在台中電子街閒晃時看到這個：

低電壓的, 對喔, 我都忘了致冷片不是只有 12V 的, 只是大多都用 12V 並不是只有 12V
買回家測了一下發現這個能用, 風扇和致冷片都只給 5V, 功率低無噪音, 可連續長時間運轉
全系統包含 MCU 都給 5V, 這樣我也可以省掉 12V 降轉 5V 的整流
連續運轉三天都沒問題, 就準備結案了, 不過此時致冷片又做了最後的掙扎(?)
都裝快好了, 突然變壓器啟動短路保護, 一開機顯示 ---- 時一直在閃, 沒有進入運轉狀態
注意到變壓器的燈號也跟著閃, 表示有東西短路了, 拆致冷晶片下來看
哇咧, 拆裝太多次接腳拗壞了, 一壓就短路, 只好換一個, 可是這在台中買的......
台北今華電子沒這顆, 有一顆外觀像但沒塗膠保護, 這不能用
不, 尊貴的天龍國一定也有, 不可能找不到XD
後來在祥昌找到, 不過型號不同, 電流較小, 但若輸入低電壓性能沒什麼差別
終於結案！真的超麻煩, 要跟進的請三思！