Чи можна каскадувати пристрої Peltier?
Відповіді:
Так, і це регулярно робиться. Однак існують межі того, чого ви можете досягти, виходячи як з обмежень окремих пристроїв (мінімальної та максимальної температури), так і таких ефектів, як загальний термічний опір через штабель. Врешті-решт ви потрапляєте до точки, коли «зворотний витік» тепла через штабель (який піднімається з різницею температур в кінці) дорівнює здатності стека відводити тепло.
Ще одна проблема - відносна неефективність пристроїв Peltier. Зазвичай тепловий потік, що виходить з гарячої сторони кожного пристрою, складає в порядку 3 - 5 разів більше тепла, що надходить у холодну сторону. Коли ви складаєте пристрої вгору, кожен з них повинен бути набагато більшим, ніж попередній, що призводить до проблем із рівнем розміру (що також повертається до проблеми витоку тепла).
Безумовно, проте через жалюгідну ефективність типово укладати все більші розміри, подібні до ракетних ступенів, тому найгостріші мають справу з потоком тепла від усіх інших.
Фото звідси .
Вони, безумовно, можуть бути каскадними, але проблема полягає в тому, що тепла стадія може мати набагато більше ємності передачі тепла, ніж холодна.
Найбільш ефективні термоелектрики AFAIK мають коефіцієнт передачі ~ 100%, значить, вони споживають енергію і виробляють тепло 1 Вт на 1 Вт, передане з холодної сторони (холодильники на основі компресора мають близько 300%, вони передають 3 Вт тепла на 1 Вт потужності).
Скажімо, вам потрібно передати близько 1 Вт тепла від вашого пристрою. Тоді найхолодніша стадія могла б виробляти 2 Вт тепла на своєму гарячому кінці, і все його тепло повинно передаватися наступним етапом. Наступний етап буде виробляти 4 Вт тепла. Потім 8 Вт тощо.
Каскадні пельєри повинні виглядати так:
Так. Ви можете проводити кілька одноступеневих пельтьєрів, якщо належно враховувати електричні та теплові потоки. Ви побачите, що багатоступеневі пристрої зазвичай мають зменшувані фізичні зони для холодних етапів. Це пояснюється тим, що у вас зменшується кількість «охолодження», доступне на кожному наступному етапі, оскільки більш гарячі стадії перед ними повинні перекачувати як теплову енергію з більш холодних стадій, так і втрати електричного резистиву від більш холодних стадій.
Через низький ККД кулерів Peltier з електричним входом холодний ступінь повинен працювати на значно меншому електричному вході, ніж більш гарячий етап, який його охолоджує. Легко перегріти більш гарячу стадію тепловою енергією від входу постійного струму з холоднішої стадії і взагалі не отримати чистого охолодження.
Пряме укладання модулів Peltier на практиці є проблематичним. Потрібне тепловідведення є значним. Ви можете думати про послідовний масив Peltier (складений) в системі як про машину, яку необхідно "запустити".
Якщо тепловідведення занадто суттєве, потрібно завічно запустити нагрівання / охолодження. Це легко компенсується за допомогою вентилятора з радіатором, а потім при запуску вентилятора мало.
Хоча я не розумію переваги обігріву на основі Пельтьє, крім системи, яка перемикає між нагріванням та охолодженням для того ж самого завдання.
Резистивні елементи більш довговічні та легко керуються, ніж Пельтьєри для нагрівання, оскільки їх можна багаторазово циклікувати.
Конструкція, яку я використовував для декількох модулів Peltier, складених склав один 12706 між радіатором / вентилятором на вихідній стороні та готовим мідним бруском удвічі більше ширини 12706 на розряді.
З іншого боку мідного бруска були паралельно (2) 12706s механічно та важкий алюмінієвий радіатор / вентилятор на кінцевій стороні розряду.
Окремі елементи Peltier (TEC) були з'єднані паралельно. Я провів паралельний масив 12706 з максимальним 15ADC, 12VDC, RTD-дисциплінованим, лінійним блоком живлення, постійною напругою.
Лінійні блоки живлення самі по собі неефективні. Отже, ДТП-дисциплінований SMPS (> ефективність 90%) є більш ефективним варіантом.
Ця система була для охолодження (досягала -12 ° С при кімнатній температурі навколишнього середовища), але якщо повернути її, вона буде працювати для нагріву. Елементи пельте не повинні нагріватися вище температури припою, який використовується для їх виготовлення. Недбале або недосвідчене експериментування може легко це зробити.
Ви просто хочете переконатись у тому, що (2) речі: ви не відкидаєте занадто багато тепла з гарячої сторони, тому що тепловіддача залежить від різниці температур двох сторін. Ця властивість модулів TEC має своєрідні обмеження.
Якщо гаряча сторона недостатньо гаряча, система не передаватиме тепло, а потужність енергії буде низькою. А також те, що тепловіддача не перетворюється на паразитичну і витікає з холодної сторони, тому весь масив є лише нагрівачем. Це може розплавити припой у модулі TEC (Peltier).
Я знайшов найбільш корисну специфікацію модуля TEC - це оптимальні номінальні діапазони температури на гарячій та холодній сторонах. Все інше, крім електричного вводу, можна отримати експериментом. Але якщо ви спробуєте отримати вказаний deltaT, використовуючи неправильно високу та низьку температуру, можливо, ви не зможете отримати повну ємність теплопередачі модуля.
Велика перевага, отримана з якісних модулів TEC, полягає в тому, що вони працюють із номінальним перепадом температури, зміщеним на нижчий. Дельта 66C може бути 44C-100C або 0C-66C.
Не всі deltaT> = 66C модулі TEC будуть добре працювати при delta 0C-66C або нижче. Вони можуть забезпечити найбільшу теплопередачу при дельті 44C-100C. Холодніша холодна сторона зазвичай стає більш бажаною системою.
Також потрібно, щоб з'єднання інтерфейсу теплопередачі було нанесено між модулями TEC та тим, що вони взаємодіють. Немає модулів TEC безпосередньо в атмосферу. Завжди є щось з обох боків модулів Peltier.
Мені не вдалося отримати задовільних результатів, безпосередньо укладаючи 12712 на гарячу сторону 12706.
Близько 2009 року я підготував один такий кріоохладитель, використовуючи 3-ступінковий стек Peltier та найбільший проданий кулер для відеокарт із повітряним охолодженням із 7 теплових труб (Ви можете шукати публікацію для йодового інструменту ROFLEX).
Пізніше клієнт хотів створити більше копій, що збираються навколо мене, і попросив на заводі плит Peltier, який повітряний охолоджувач йому потрібно використовувати. Відповідь, з якою я пишався, - з нашими тромбоцитами абсолютно неможливо охолодити що-небудь, використовуючи будь-який тип повітряного охолоджувача. Просто проблема в Peltier - це не тепловий потік як такий, а інтенсивність теплового потоку над місцем контакту радіатора квадратним сантиметром. Тромбоцити мають досить невеликий розмір, приблизно 4х4 або 2х2 см, тому тепловий потік потужністю 100 Вт там більше, ніж набагато.
Насправді, 3-каскадні тромбоцити в моєму випадку давали різницю між циліндрами на 116 С, що є близьким до теоретичного кордону, таким чином я мав отримати стабільний мінус 45 С у тропічному кліматі.
Цього року мені потрібно отримати ще більше, -100С на 1 см3 радіатором без водяного охолодження, коли + 50С повітря буде ціль на ньому. Якийсь час я не впевнений, чи це взагалі можливо.
Я пишу це, щоб запевнити, що -45 C справді можливо, але не набагато глибше. Теорія стверджує, що 4-й тромбоцит більше трьох пошкодить процес, а не посилити його.
Так, крихітні пристрої насправді продаються для цієї мети. Ви навіть можете придбати готові штабелі з відповідними матеріалами на кожному етапі, щоб зменшити проблему насичення теплом (якщо я пам'ятаю, що вони використовують більш високу ефективність зверху, замінивши Sb в BiTe), я маю намір спробувати охолодити зразок SH21Pd97? під тиском до майже кріогенних температур і побачити, чи опір падає раптово, і повторіть той же експеримент з Bi-2223 як контроль з декількома налаштуваннями пізніше, які можуть підвищити Tc до 20%. Можливо навіть покращення лазера за допомогою налаштованого ІЧ-лазера.