Термоэлектрические модули, элементы Пельтье
Многокаскадные модули применяются в системах глубокого охлаждения, холодильниках с большим перепадом температур, системах охлаждения научных, исследовательских и специальных приборов. Также используются для охлаждения ИК фотоприемников, детекторов рентгеновского излучения и других датчиков.
Основные области применения:
- охлаждение ПЗС матриц и ИК фотоприемников
- камеры холода и замораживатели
- термостаты
- научные лабораторные приборы
- термокалибраторы
- ступенчатые охладители
- охладители и термостабилизаторы датчиков различного назначения
- приборы ночного видения
Технологические особенности
Для верхних каскадов многокаскадных модулей мы используем оптимизированный термоэлектрический материал, который позволяет получать большую величину ?Т при меньшем количестве каскадов. Это позволяет производить многокаскадные модули с оптимальными весо-габаритными характеристиками и низким энергопотреблением.
Мы также предлагаем нашим заказчикам термоэлектрические модули установленные или непосредственно интегрированные в стандартные — ТО (ТО3, ТО8 и др.), HHL, DIL, butterfly или специальные корпуса.
Таблица используемых сокращений
ТЭМ | термоэлектрический модуль |
ТГМ | термоэлектрический генераторный модуль |
DTmax | максимально достижимая разница температур между сторонами термоэлектрического модуля |
Imax | максимальный электрический ток через термоэлектрический модуль, соответствующий режиму максимальной разницы температур |
Umax | максимальное электрическое напряжение на контактах термоэлектрического модуля, соответствующее режиму максимальной разницы температур |
Qmax | максимальная холодопроизводительность (холодильная мощность) термоэлектрического модуля. Определяется при максимальном токе через термоэлектрический модуль и нулевой разности температур между его сторонами |
Rac | электрическое сопротивление термоэлектрического модуля, измеренное на переменном токе с частотой 1 кГц |
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).
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:
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.
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…
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.
Устройство термоэлектрического модуля
Устройство термоэлектрического модуля (элемента Пельтье)
В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока через цепь из различных проводников, место соединения проводников охлаждается или нагревается в зависимости от направления тока. Количество поглощаемой теплоты пропорционально току, проходящему через проводники.
В результате работ российского академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, были синтезированы полупроводниковые сплавы, которые позволили применить этот эффект на практике и приступить к серийному выпуску термоэлектрических охлаждающих приборов для широкого применения в различных областях человеческой деятельности.
Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.
Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном элементе Пельтье термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах — от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности — от десятых долей до сотен ватт.
При прохождении через элемент Пельтье постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны элемента Пельтье меняются местами.
Современные однокаскадные термоэлектрические охладители (Элементы Пельтье) позволяют получить разность температур до 74–76 К. Для получения более низких температур применяются многокаскадные модули, представляющие собой несколько однокаскадных модулей с последовательным тепловым соединением между собой. Например, серийно производимые фирмой Криотерм четырехкаскадные термоэлектрические элементы Пельтье позволяют развить разность температур до 140 К.
Программа Криотерм
Предлагаем Вам воспользоваться компьютерной программой «Kryotherm».
Вы можете скачать её, заполнив предварительно краткую форму.
Программа «Kryotherm» позволяет сделать выбор оптимального термоэлектрического модуля,
оценить его параметры и произвести расчет системы охлаждения.
Наша программа специально разработана для оптимизации выбора термоэлектрических модулей и проектирования охлаждающих систем.
На основе многолетнего общения с клиентами мы выделили следующие вопросы, которые чаще всего задают наши клиенты:
- Каковы особенности работы данного ТЭМ?
- Сколько и каких модулей необходимо использовать для моей задачи?
- Что получится, если в имеющейся системе охлаждения использовать данные модули?
Программа «Kryotherm» поможет Вам ответить на эти вопросы.
Программа состоит из трех разделов:
- «Perfomance Graphs» («Графики характеристик»). В этом разделе представлены графики зависимостей характеристик термоэлектрического модуля в различных комбинациях при различных условиях эксплуатации.
- «Choice of Modules» («Выбор модулей») – Этот раздел поможет вам выбрать оптимальные (с точки зрения энергопотребления или стоимости) тип и количество термоэлектрических модулей для вашей системы, задав ее основные теплофизические и электрические характеристики. (синтез).
- «Thermoelectric System» («Термоэлектрическая система») – С помощью этого раздела вы сможете построить компьютерную модель вашей системы и провести анализ ее работы в зависимости от типа и количества используемых в ней термоэлектрических модулей, вариантов их включения, подаваемого напряжения питания и т.п. (анализ).
Заполните краткую регистрационную форму и запустите файл Kryotherm.exe, Вы найдете данные разделы в главном меню основного окна программы.
Кроме собственно характеристик термоэлектрических модулей Криотерм и возможности расчета систем на их основе, в программе Kryotherm имеются алгоритмы расчета теплоизоляции и расчета характеристик теплообменников. Все это позволяет решать с помощью программы «Kryotherm» практически любые задачи термоэлектрического охлаждения – от расчетов бытовых холодильников и охладителей жидкости до систем охлаждения компьютерных процессоров, приборов ночного видения и т.п.
В разделе Help программы Kryotherm вы найдете подробные инструкции по ее использованию на английском и русском языках. В программе предусмотрена возможность сохранения параметров конструируемой термоэлектрической системы в отдельный файл для их дальнейшего использования или передачи. Если при решении конкретной задачи у Вас возникнут затруднения, с помощью этой опции вы сможете отправить расчетные данные специалистам Криотерм. Они помогут Вам найти правильное решение вашей задачи.
Мы уверены, что программа «Kryotherm» станет вашим надежным помощником в использовании термоэлектрических модулей и поможет реализовать широкие возможности термоэлектричества.
Контроллеры TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло с одной стороны на другую, в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
Это руководство по проектированию системы содержит информацию о том, как спроектировать простое приложение термоэлектрического охлаждения с использованием контроллеров TEC и элементов Пельтье.При разработке термоэлектрического применения охлаждение является критически важной частью. Итак, мы возьмем случай охлаждения объекта в качестве примера для руководства по проектированию.
TEC Контроллер Обзор продукта
Содержание
Проектирование полной термоэлектрической системы может быть большой сложной задачей. Однако для более простой системы вы не должны заблудиться в деталях. Данное руководство является отправной точкой для оценки параметров конструкции с некоторыми упрощениями для нового применения термоэлектрического охлаждения.
Шаг за шагом мы проходим все необходимые этапы проектирования, выделяем важные моменты и, наконец, рассчитываем пример приложения. Мы рассматриваем систему с одним этапом элемента Пельтье. Многоступенчатые элементы Пельтье достигают более низких температур, но их конструкция сложнее.
Консалтинг для сложных тепловых проектов
Мы сотрудничаем с Elinter AG, поставщиком комплексных, более сложных решений в области теплового проектирования. Elinter может помочь вам в разработке вашего термоэлектрического приложения.Это включает в себя моделирование, проектирование, механическое строительство, а также выбор соответствующей электроники, раковин и тепловых трубок.
Термоэлектрическое охлаждение Видео
Это видео объясняет основы термоэлектрического охлаждения. Мы приводим примеры важных этапов проектирования для успешного проектирования термоэлектрического приложения с использованием контроллеров TEC и элементов Пельтье.
Справочная информация
Термоэлектрическое охлаждение и нагревание используются для различных применений, даже когда активное охлаждение ниже температуры окружающей среды или высокой точности (стабильность <0.01 ° C) требуется. Контроллер TEC - источник тока для элемента Пельтье - в сочетании с элементом Пельтье активно регулирует температуру данного объекта. Это делается без акустического и электрического шума, вибрации и механических движущихся частей. Переключение с охлаждения на нагревание возможно путем изменения направления тока без каких-либо механических изменений.
Существуют ограничения по температуре при работе элементов Пельтье. Они доступны с максимальной рабочей температурой 200 ° C, где этот предел определяется температурой оплавления припоя и уплотнения.Другим ограничением является максимальная температура между горячей и холодной стороной элемента Пельтье. В общих случаях применения разность около 50 К может быть реализована с помощью одноступенчатого элемента.
При использовании элемента Пельтье в качестве термоэлектрического охладителя существует предел, при котором температура будет снова повышаться при увеличении тока. Это происходит из-за рассеивания мощности (I 2 R) внутри элемента Пельтье, когда ток потребляется больше, чем I макс. .
A Типичная термоэлектрическая система
Основные части термоэлектрической системы охлаждения, которые имеют отношение к нашему процессу проектирования, следующие:
- Контроллер
- TEC
- элемент Пельтье
- Радиатор
Другая важная часть, товарищ по команде радиатора, не видна напрямую.Это окружающий воздух с температурой, в которой рассеивается тепло.
Помимо ранее упомянутых частей, другие компоненты важны для полного применения. Это, например, датчики температуры, программное обеспечение для настройки и контроля контроллера ТЕС, вентилятор и, конечно, источник питания.
Пожалуйста, посмотрите следующее видео для обзора контроллеров семейства TEC и их функций.
Тепловая схема
На этой схеме простой термоэлектрической системы показаны объекты, участвующие в пути прохождения тепла от объекта к окружающему воздуху.Это упрощенная схема, где мы предполагаем идеальную теплоизоляцию объектов, например, температура объектов не зависит от конвекции. (Q — теплоемкость каждого куска.)
Упрощенная схема системы охлаждения
Следующая, еще более упрощенная схема, представляет систему охлаждения и соответствующую диаграмму температуры справа. В этом случае объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье находится при 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, температура которого составляет 25 ° C.
Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма
Процесс проектирования
Следующие шаги необходимы при разработке приложения термоэлектрического охлаждения:
- Расчет тепловой нагрузки охлаждаемого объекта
- Определяем температуру рабочего диапазона объекта и радиатора
- Выберите элемент Пельтье, который удовлетворяет требованиям
- Выберите контроллер TEC с подходящим диапазоном мощности
- Выберите радиатор для элемента Пельтье
- Выберите вентилятор для вентиляции радиатора (опция)
- Выберите датчик температуры объекта и дополнительный датчик мойки
- Выберите источник питания для контроллера TEC
Это итеративный процесс.Проверьте свою экспериментальную установку, улучшите ее, повторите вышеуказанные шаги.
1. Оценка тепловой нагрузки
Важным параметром является количество тепла, которое поглощается от объекта холодной поверхностью элемента ТЕА или Пельтье. (Q C [Вт])
В зависимости от применения необходимо учитывать различные типы тепловой нагрузки:
- Рассеиваемая мощность
- Излучение
- Конвективный
- Проводящий
- Динамический (dQ / DT)
Эти нагрузки суммируются в тепловой нагрузке Q C , которая переносится с холодной стороны на горячую сторону, где расположен радиатор.
2. Определить температуру
Обычно задача состоит в том, чтобы охладить объект до определенной температуры. Если охлаждаемый объект находится в контакте с холодной поверхностью термоэлектрического модуля, температуру объекта можно считать равной температуре холодной стороны элемента Пельтье через определенное время.
При проектировании термоэлектрического охлаждения важны два конструктивных параметра.
- T O температура объекта (температура холодной стороны) [° C]
- T HS температура радиатора (температура горячей стороны) [° C] = T amb + ΔT HS
См. Раздел 5.Теплоотвод для получения дополнительной информации.
Разница между T O и T HS известна как dT (ΔT или deltaT) [K]:
dT = T HS — T O = T amb + ΔT HS — T O
3. Выбор элемента Пельтье / модуля ТЕА
Элемент Пельтье создает разницу температур между обеими сторонами из-за протекания тока. Этот раздел основан на справочной информации со следующих страниц:
Одним из важных критериев является Коэффициент производительности (COP) при выборе элемента Пельтье.Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне, деленное на входную мощность элемента Пельтье: COP = Q C / P el
Результатом максимальной COP является минимальная входная мощность Пельтье, то есть минимальная общая тепло рассеивается радиатором. (Q h = Q C + P el ) Следовательно, мы пытаемся найти рабочий ток, который дает в сочетании с определенным значением dT оптимальное значение COP.
Наконец, мы получаем оценку для Q max , которая позволяет нам выбрать элемент Пельтье.
Добавляем маржу дизайна на
- выбирает элемент Пельтье с большей, чем требуется, мощностью теплового насоса,
- путем проектирования системы с рабочим током значительно ниже I макс. элемента Пельтье,
- или как третий вариант, увеличивая радиатор или добавляя к нему вентилятор, чтобы поддерживать температуру горячей стороны на низком уровне.
При применении этих мер изменение температуры окружающей среды или активной тепловой нагрузки не приводит к тепловому разгону.
Пожалуйста, обратитесь к странице Элементы Пельтье для получения списка Дистрибьюторов.
4. Выбор контроллера TEC
Контроллер TEC регулирует ток, подаваемый на элемент Пельтье, в соответствии с требуемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта.
Мы выбираем рабочий ток для достижения оптимального КПД. На основании этого тока мы выбираем контроллер TEC, а не I макс. .
Одноканальные контроллеры TEC:
Двухканальные контроллеры TEC в параллельном режиме:
Пожалуйста, обратитесь к странице продукта контроллера TEC для обзора.
5. Радиатор
Радиатор поглощает тепловую нагрузку на горячей стороне элемента Пельтье и рассеивает ее в окружающем воздухе.
При определении размеров радиатора необходимо добавить некоторый запас, чтобы избежать слишком высокой температуры.Следующая диаграмма показывает, что тепло Q h , отводимое элементом Пельтье, может быть в 2,6 раза больше Q макс . Это связано с внутренним выделением тепла в элементе Пельтье во время тепловой откачки. Следовательно, общее тепло, которое должно рассеиваться в радиаторе, состоит из тепла объекта и тепла, производимого внутри элемента Пельтье.
На приведенном ниже графике показана взаимосвязь между теплом, отводимым элементом Пельтье, и током для разных значений dT.Используйте графики, предоставленные производителем элемента Пельтье, чтобы оценить тепло, которое будет рассеиваться радиатором.
Поскольку радиатор должен вписываться в приложение по форме и размерам, эффективность контроллера ТЕС также играет решающую роль, поскольку размер радиатора зависит от него. В зависимости от ваших требований решение может быть выполнено на заказ радиатора или тепловой трубки.
Тепловое сопротивление рассчитывается по формуле: R thHS = ΔT HS / Q ч [К / Вт]
ΔT HS = Разница температур между радиатором и температурой окружающего воздуха [K]
Q h = общая тепловая нагрузка (объект + потери элемента Пельтье) [Вт]
Для оценки ΔT HS учитывайте максимально возможную температуру окружающей среды, чтобы в этом случае выполнялись ваши расчеты.
Зависимость отклоненного тепла от dT
На следующем графике показано соотношение между Q h и Q C для разных значений dT. Отношение растет экспоненциально при каждом увеличении dT. Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором для сравнительно небольшого количества тепла, поглощаемого на холодной стороне элемента Пельтье.
Мы также можем использовать этот график для оценки результирующего теплоотвода на основе количества переносимого тепла Q C , даже до выбора элемента Пельтье.
Для расчета теплового сопротивления мы принимаем реалистическое значение для dT HS . Поскольку мы еще не знаем реальный Q h , мы оцениваем его по приведенному выше графику.
Найти отношение Q h / Q C при заданном токе и dT.
Выберите требуемую разницу температур между радиатором и температурой окружающего воздуха ΔT HS .
Теперь мы можем заменить в приведенной выше формуле для R thHS Q h на наше соотношение Q h / Q C .
R thHS = ΔT HS / (отношение * Q C )
Конечно, размерность сохраняется, только если мы позже оперируем элементом Пельтье в выбранной рабочей точке (то есть в выбранном токе).
При выборе теплового сопротивления радиатора можно повлиять на dT = T и + T , HS — T , O .
(ΔT HS = Q ч / R thHS )
Дистрибьюторы / Производители
6.Вентилятор
Вентилятор охлаждения радиатора снижает тепловое сопротивление радиатора к окружающему воздуху.
Следовательно, вентилятор увеличивает тепловые характеристики. Это уменьшает разницу температур dT или позволяет использовать радиаторы меньшего размера.
Контроллеры TEC позволяют управлять двумя вентиляторами, которые поддерживают следующие функции:
- ШИМ вход управляющего сигнала для управления скоростью вентилятора. TEC генерирует сигнал ШИМ 1 кГц или 25 кГц от 0 до 100%.
- Выходной сигнал генератора частоты, который представляет скорость вращения. Выход должен быть выходным сигналом с открытым коллектором.
Рекомендуется использовать вентилятор с тем же напряжением питания, что и напряжение питания контроллера ТЕС.
Рекомендации поклонников
Для получения подробной информации о предложениях вентиляторов и их оптимальных настройках см. Главу 6.3 руководства пользователя семейства TEC (PDF).
Подключение вентилятора к контроллеру TEC
Обратитесь к странице «Примечания к контроллеру TEC», чтобы узнать, как подключить вентилятор.
7. Пример расчетов
Рассчитаем в качестве примера расчетные параметры термоэлектрической системы охлаждения.
Существует два тепловых параметров, которые необходимы для выбора элемента Пельтье.
- Максимальная холодопроизводительность Q макс.
- Разница температур дТ
Оценить тепловые нагрузки и определить температуры
Мы предполагаем, что объект с тепловой нагрузкой Q C = 10 Вт будет охлажден до нуля градусов Цельсия.(T O = 0 ° C) Предположим, что комнатная температура составляет 25 ° C, а температура радиатора T S ожидается на уровне 30 ° C. Таким образом, разность температур между холодной стороной и горячей стороной элемента Пельтье dT составляет 30 К. Важно помнить, что было бы неправильно вычислять dT как разницу между температурой окружающего воздуха и требуемой температурой объекта.
Выбор модуля Пельтье / ТЕА
Наша цель — найти Q макс. , который достаточно большой, чтобы покрыть необходимый Q C и дает лучший КПД.
На графике зависимости производительности от тока мы находим максимум кривой dT = 30 K при токе I / I макс. = 0,45 . Как правило, это соотношение не должно превышать 0,7.
Используя этот коэффициент для тока, мы находим в графике тепловых насосов и тока значение Q C / Q макс = 0,25 для данной разности температур dT = 30 К и относительного тока 0,45.
Теперь мы можем вычислить Q max для элемента Пельтье. Q макс. = Q C / 0,25 = 10 Вт / 0,25 = 40 Вт
На графике производительности против тока мы находим COP = 0,6 для нашего ранее считанного I / I макс . Это позволяет рассчитать P el = Q C / COP = 10 Вт / 0.6 = 16,7 Вт .
Производители элементов Пельтье предлагают широкий ассортимент элементов.В их линейке продуктов мы ищем элемент с Q max 40 Вт. Поскольку у нас разница температур dT = 30 K, достаточно одноступенчатого элемента Пельтье.
В качестве примера мы выбираем элемент Пельтье с Q макс. = 41 Вт, dT макс. = 68 К, I макс. = 5 A и V макс. = 15,4 В.
Рабочий ток и напряжение рассчитываются следующим образом:
I = I макс. * (I / I макс. ) = 5 А * 0.45 = 2,25 A
В = P el / I = 16,7 Вт / 3,83A = 7,42 В
Выбор контроллера TEC
Исходя из рассчитанных значений, мы выбираем контроллер TEC TEC-1091 с выходным током 4 А и выходным напряжением 21 В. Хорошо бы добавить некоторый запас конструкции, выбрав контроллер ТЕС с выходным током, превышающим требуемый. Позже, когда производительность системы хорошо известна, может быть достаточно другого контроллера с меньшей производительностью.
Радиатор
Чтобы найти радиатор для элемента Пельтье, нам нужно знать требуемое тепловое сопротивление радиатора. На графике отвод тепла от тока мы находим Q ч / Q макс = 0,6 для выбранного нами тока и dT. Таким образом, Q ч = Q макс * 0,6 = 41 Вт * 0,6 = 24,6 Вт.
Расчет теплового сопротивления радиатора:
R thHS = T HS / Q h = 5 K / 24.6 Вт = 0,2 К / Вт
Нам необходим радиатор с тепловым сопротивлением менее 0,2 К / Вт.
Приведенные выше расчеты являются первой оценкой параметров термоэлектрической системы охлаждения. Тестирование реальной системы и повторение этапов проектирования необходимо для определения оптимальных параметров системы.
8. Датчики температуры
Датчики температуры используются контроллером TEC для измерения температуры объектов и температуры радиатора.
Измерение температуры объекта
Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, вы должны установить температурный датчик (датчик) на объекте. Обратите внимание, что важно размещать датчик как можно ближе к критической точке на объекте, где вам нужна желаемая температура.
Поскольку измерение температуры объекта требует более высокой точности и большего диапазона, мы рекомендуем использовать датчики Pt100. Для измерения температуры намного ниже 0 ° C необходимы датчики Pt100 / 1000.Это потому, что если температура становится слишком низкой, датчики NTC не могут использоваться, так как значение сопротивления становится слишком большим. Значение сопротивления датчика должно быть меньше эталонного сопротивления в регуляторе ТЕС.
При использовании датчиков Pt100 / 1000 температура объекта измеряется с использованием метода четырехконтактного считывания (четырехпроводного считывания) для достижения более высокой точности при низких сопротивлениях. Для измерения NTC используется 2-проводная техника.
Термин 4-х проводный не означает, что нужен датчик с четырьмя контактами.Используются отдельные пары токоведущих и чувствительных к напряжению электродов. (Подробнее о четырехконтактном зондировании)
Диапазон измерения температуры контроллера ТЕС зависит как от датчика температуры, так и от конфигурации оборудования. Пожалуйста, обратитесь к соответствующей таблице для получения подробной информации.
Подключение датчика температуры
Обратитесь к странице «Примечания к контроллеру TEC», чтобы узнать, как подключить датчик температуры.
9.Требования к источнику питания
Источник питания является источником питания для контроллера TEC.
В зависимости от выбранного контроллера TEC вы должны выбрать источник питания. Убедитесь, что источник питания способен обеспечить питание, необходимое для управления контроллером TEC с помощью элемента Пельтье. (Как правило, вы можете добавить резерв 10%. Умножьте необходимые значения выходной мощности ТЕС на 1.1.) См. Таблицу данных контроллера для получения информации о соотношении входного и выходного напряжения.
Рекомендации по электроснабжению
10. Проверьте настройки
Теперь, когда вы выбрали системные компоненты, вы настроили приложение и начали тестирование и оптимизацию. Чтобы упростить сборку и первоначальную настройку с помощью нашего сервисного программного обеспечения, см. Наше пошаговое руководство по настройке контроллера TEC.
Комплексное сервисное программное обеспечение можно загрузить и протестировать бесплатно.
11. Термоэлектрические холодильные агрегаты
Существуют также универсальные предварительно собранные термоэлектрические охлаждающие сборки, если вы не хотите создавать систему с нуля.Эти модули обычно содержат металлическую пластину для крепления объекта, элемент Пельтье, радиатор и вентилятор. Использование таких сборок интересно на этапе создания прототипа для первых экспериментов.
Эффективность элемента Пельтье Эффективность применения элемента Пельтье зависит от коэффициента полезного действия (COP), который зависит от рабочей точки, теплового режима и типа питания контроллера TEC. Все три пункта обсуждаются в этой статье. Контроллеры
TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло с одной стороны на другую, в зависимости от направления электрического тока.
TEC Controller Обзор продукта
Коэффициент производительности (КС)
Эффективность самого элемента Пельтье определяется COP = Q C / P el . Подробнее об определении КС читайте здесь.
КС в зависимости от текущей зависимости элемента Пельтье для разных значений dT.
Оптимальная рабочая точка элемента Пельтье — это когда максимальное значение COP. Максимум COP сильно зависит от разницы температур (dT) между теплой и холодной стороной.Как видно, максимум COP смещается в сторону больших токов при увеличении dT. Ток не должен быть больше 0,7 раз I макс. , потому что тогда COP становится слишком маленьким — элемент Пельтье очень неэффективен.
Тепловой Дизайн
Thermal Design имеет решающее значение, поскольку позволяет пользователю напрямую влиять на эффективность и производительность системы. Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:
- Reducing dT — оптимизировать радиатор и вентилятор
- Минимизируйте потери мощности — изолируйте охлажденную зону
- Optimize COP — выберите элемент Пельтье с достаточной мощностью
1.Разница температур (dT) между холодной и теплой стороной должна быть минимизирована. Небольшое значение dT приведет к максимуму COP, как это видно на диаграмме 5, смещению вправо, что означает, что необходим меньший ток. Тепло, которое должно рассеиваться на теплой стороне, составляется следующим образом: Q h = Q C + P el .
Следующая схема представляет систему охлаждения и соответствующую диаграмму температуры справа. Объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье находится при 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, температура которого составляет 25 ° C. Радиатор, таким образом, рассеивает 10 ° C, поэтому новый dT составляет 30 К.
Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма
2. Часто выгодно изолировать охлаждаемый объект и все остальные охлаждаемые поверхности. Таким образом, температура окружающей среды оказывает меньшее влияние на элемент Пельтье, и в систему поступает меньше тепла окружающей среды.Это уменьшает общее рассеивание мощности, что приводит к меньшей импульсной мощности элемента Пельтье и, следовательно, к лучшему КПД.
3. КС следует оптимизировать, используя достаточную мощность элемента Пельтье. Это необходимо, потому что максимум COP находится при низком токе, и помехи могут быть поглощены. Если мощность элементов Пельтье слишком мала, возможно, создан нагреватель.
В качестве примера: если dT составляет 30 K, вы можете увидеть на диаграмме COP относительно текущего отношения максимум COP при I = 0.3 * я макс . На диаграмме Vs Current с тепловой накачкой получаем значения dT = 30 K и I = 0,3 * I макс. , Q c / Q макс. , равные 20%. Если требуется охлаждение 10 Вт, элемент Пельтье должен иметь мощность 50 Вт.
DC по сравнению с ШИМ (Тип поставки TEC)
В следующей главе обсуждаются преимущества постоянного тока (постоянного тока) и недостатки ШИМ в качестве режимов питания для управления элементами Пельтье с помощью контроллеров TEC. Термоэлектрические холодильники работают за счет эффекта Пельтье и перекачивают тепло с одной стороны на другую.Для поддержания направления теплового потока необходим постоянный ток.
Во многих контроллерах TEC ШИМ используется для управления элементами Пельтье. В общем, это означает упрощенное аппаратное и логическое управление выходом. Для высоких частот ток ШИМ можно рассматривать как постоянный ток того же значения амплитуды. Однако модули TEC, приводимые в действие ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения TEC, управляемые постоянным током. Управление ТЕС с помощью ШИМ напрямую делает схему более подверженной помехам, может привести к высоким переходным напряжениям и, как правило, менее эффективно.
Другая проблема заключается в том, что ШИМ может вызывать электромагнитные помехи (EMI) в проводке к устройству TEC. Этот эффект может мешать измерительным системам или камерам, например, когда используется для охлаждения датчиков CCD.
Рекомендации производителей
Производители элементов Пельтье предлагают использовать постоянный ток и пульсацию ограничивающего тока для регулирования выходного тока. Они явно не рекомендуют использовать прямое ШИМ-управление элементами Пельтье:
- Ferrotec: «Тем не менее, мы рекомендуем ограничить пульсации источника питания максимум до 10 процентов с предпочтительным значением <5%."
- RMT: «TEC [элементы Пельтье], управляемые PWM, работают менее эффективно, чем при постоянном токе. Управление PWM всегда менее эффективно, чем работа TEC при одинаковом среднем значении постоянного тока и потребляемой мощности».
- Marlow: «Для оптимальной работы термоэлектрическим холодильникам требуется плавный постоянный ток. Коэффициент пульсации менее 10% приведет к ухудшению ΔT менее чем на 1%. […] Marlow не рекомендует включать / выключать управление».
Сравнение двух контроллеров TEC
Мы сравнили контроллер Meerstetter Engineering TEC с постоянным током (случай 1) с контроллером PWM TEC (случай 2) от другого производителя, чтобы подчеркнуть разницу между термоэлектрическими системами охлаждения, работающими от постоянного тока, и системами, использующими ШИМ.Цель состоит в том, чтобы сравнить общую эффективность использования энергии.
Оба контроллера выполняют одну и ту же задачу, но с точки зрения эффективности разница весьма значительна.
Установка состоит из следующих компонентов:
- Блок питания для контроллера TEC
- TEC контроллер
- Охлаждаемый объект (нагрузка 1 Вт)
- элемент Пельтье
- Радиатор
- Вентилятор для охлаждения радиатора
В качестве целевой температуры для нагрузки 1 Вт в качестве охлаждаемого объекта мы выбрали в обоих случаях 10 ° C при температуре окружающей среды 24.5 ° С
Результаты представлены на следующей иллюстрации и обсуждаются ниже.
Сравнение двух контроллеров TEC
Замечательные отличия и наблюдения:
- Мощность, необходимая для охлаждения объекта до 10 ° C, была в случае 2 более чем в шесть раз больше (56 Вт против 9 Вт)
- Температура радиатора в случае 2 была на 5 ° C выше. Это может привести к более высокой температуре в термоэлектрической системе охлаждения, особенно когда она заключена в корпус.
- Более высокая температура радиатора на 5 К также приводит к увеличению dT элемента Пельтье:
dT = T HS — T O = T amb + ΔT HS — T O - Другими словами, общее количество тепла, которое будет рассеиваться системой с помощью ШИМ-контроллера, более чем в 4 раза больше. Следовательно, это приводит к необходимости гораздо большего радиатора для случая 2.
- Более эффективная система позволяет также использовать более мелкие компоненты, такие как источник питания или радиатор и т. Д.
линейных и SMPS TEC
Существует два способа генерации постоянного тока для управления ТЕС. Одним из способов является использование линейного источника питания, в то время как другой является SMPS.
Линейные контроллеры TEC обеспечивают постоянный ток с оптимальной работой TEC. Однако они сами по себе очень неэффективны и генерируют высокие тепловые потери.
Контроллеры SMPS TEC также управляют ТЕС постоянным током, но они гораздо более эффективны, что приводит к существенно меньшим потерям тепла.
КонтроллерыSMPS TEC имеют высокую эффективность, (> 90%) электроника генерирует мало потерь.
.Peltierelement — Википедия
Een peltierelement ( peltier-seebeck- из пассивного термо-elektrisch элемента ) является электрическим компонентом, который умирает, как новый, более сложный, чем то, что можно сказать по электронной почте. Оптимальный срок службы. Het элемент — это genoemd naar het peltiereffect и het seebeckeffect die beide de base vormen waarop de werking van het element berust. Andere namen voor een peltierelement zijn: peltierkoeler, peltierverwarmer, термоэлектриче ский теплообменник, peltierdiode, peltierwarmtepomp, твердотельный -коелер, полугелидеркоэлер термо-электрического электричества.
Een peltierelement kan dienen als een твердотельный полугелевой активист, обладающий теплотой и теплотой жизни, и его коллеги в области современного искусства. Omdat opwarmen veel gemakkelijker bereikt kan worden met and andere Methoden, worl peltierelementen meestal Allen Gebruikt om te koelen. Познакомился с пельтьерелементом кан ен теплой помпойДезе здешний день, когда он живет в княжестве Триклингсврий. Deze voordelen wegen in sommige speciale toepassingen op tegen het grote nadeel van een peltierelement als warmtepomp: zijn geringe rendement.
Grafisch wordt het peltiereffect weergegeven in figuur 1: een stroombron stuurt een stroom I door een metalen geleider die gemaakt is van metaal B. Операция переопределения T2 Tussen metaal B en metaal Слово «согреет» с точки зрения омгеновских признаков. Операция T1 Tussen metaal A en metaal B wordt deze heatte weer afgegeven.
Een aaneenschakeling van eenheden kan praktisch als koel- изогревающий элемент toegpast wordenHet rendement van een peltier-seebeckelement является афанкелийским объединением ван де гебрукте метален. Как это выглядит в самом начале, он был создан, чтобы помочь вам в этом. Het pelrereffect werkt overigens ook bijen een overgang tussen twwe verschillende halfgeleiders (предварительная версия: e-N-gedoteerde halfgeleider en een P-gedoteerde halfgeleider), Маар Анангезиан, Нью-Йорк-на-Рейне, Французский Французский Французский Этюд, Экс-ансамбль Weet Van Gehad.
Het peltier-seebeckelement — это gebaseerd op het peltiereffect, zo genoemd naar zijn ontdekker Жан Пельтье. Deze ontdekte в 1834 году, когда он хочет стать еще одним человеком в своей жизни, не может быть лучше, чем когда-либо. онтдект в 1821 г. en genoemd naar zijn онтдеккер Томас Зеебек.
Ква-эффект — это пелтье-симбиоз, когда он превращается в переворот, пересекающий тусс, переворачивается через дверь, перебегает через дверь.
,