Элемент петелье: Элемент Пельтье : описание, подключение, схема, характеристики

Содержание

Советский элемент Пельтье

21 Апреля 2017

Советский элемент Пельтье

Сегодня наша статья посвящена удивительному экспонату – элементу Пельтье, который, несмотря на свое широкое современное применение до сих пор вызывает ощущение чуда!


Экспонаты коллекции электронных компонентов музея «Эскор» — элементы Пельтье 1980х гг. выпуска, СССР

В начале XIX века — золотого столетия для физики — французский естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье заморозил каплю воды, помещенную на стыке двух металлов, через которые был пропущен постоянный электрический ток. Тепловым действием электрического тока на проводники тогда уже было никого не удивить, а вот противоположный эффект казался сродни волшебству!

Принцип работы модуля основан на эффекте Пельтье: перенос тепла с одной стороны модуля на другую происходит при протекании через них электрического тока, в результате чего одна сторона модуля охлаждается, а другая в это же время нагревается! При этом разница температур может достигать 70 °C! Не будем вдаваться в подробное техническое описание, скажем лишь то, что модуль состоит из многих пар небольших полупроводниковых параллелепипедов —n-типа и p-типа, соединенных металлическими перемычками.

После открытия прошло уже свыше ста лет, и сегодня элементы Пельтье уже перестали быть чем-то из мира фантастики, найдя свое применение в бытовых изделиях: портативных холодильниках, настольных охладителях для пива от USB, кулерах для воды и мн. др.

Применение модулей Пельтье в бытовых изделиях

Однако самым перспективным применением элементов Пельтье является компьютерная техника. Для охлаждения высокопроизводительных микропроцессоров и чипов видеокарт, выделяющих при работе большое количество тепла, обычно применяют высокоскоростные вентиляторы, которые становятся причиной значительных акустических шумов. Применение же модулей Пельтье в составе систем охлаждения позволяет избавиться от шума, сохраняя при этом значительный отбор тепла.

Термоэлектрические элементы Пельтье также можно использовать и для получения электричества. Термоэлектрогенераторы используются как бортовые источники электропитания в космических аппаратах, исследующих удаленные от Солнца регионы Солнечной системы. В частности, генераторы, которые используют тепло плутониевых тепловыделяющих элементов, установлены на космических аппаратах «Кассини» и «Новые горизонты».


Космический аппарат «Кассини»

Космический аппарат «Новые горизонты»

В последние годы термоэлектрические генераторы получили применение в автомобильной технике для рекуперации тепловой энергии, например, для утилизации тепла элементов выхлопной системы. А геологи и туристы часто используют термоэлектрические печи-генераторы там, где отсутствует электричество.

Современные элементы Пельтье TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель) уже сегодня представлены в широком ассортименте нашей компании (https://escor.ru/catalog/moduli_pelte/).Если же у вас нет возможности посетить наш музей лично, то добро пожаловать на нашу страницу Вконтакте, где регулярно публикуется обзор самых интересных и примечательных экспонатов.

Искренне Ваш, Эскор!

Охлаждающий кожух TPCC ISD400 Core (элемент Пельтье)

Охлаждающий кожух TPCC ISD400 Core (элемент Пельтье) | SICK

Тип:Охлаждающий кожух TPCC ISD400 Core (элемент Пельтье)

Артикул: 6036994

Технический паспорт изделия Русский Cesky Dansk Deutsch English Español Suomi Français Italiano 日本語 – Японский 한국어 – Корейский Nederlands Polski Portugues Svenska Türkçe Traditional Chinese Китайский

Copy shortlink
  • Технические характеристики

  • Загрузки

  • Сценарии применения

  • Таможенные данные

  • Охлаждающий кожух TPCC работает с использованием эффекта Пельтье и дает возможность эксплуатировать датчики длительное время при температуре окружающей среды до +75 °C. Кроме того, с помощью ТРСС может существенно увеличиваться срок службы лазерных датчиков. Физически обусловлено снижение срока службы лазерного датчика наполовину на каждые 10 °C повышения температуры. При применении в условиях высоких температур, связанных с климатом или технологией, TPCC предлагает оптимальную защиту датчика, снижает риск неожиданных поломок и, соответственно, простои оборудования. Целенаправленное продление срока службы датчиков позволяет снизить расходы на их замену и сократить простои производства. Инновационный охлаждающий кожух TPCC надежно защищает датчики, повышает производительность и снижает расходы.

    Краткий обзор
    • Эффективная защита для датчиков при повышенных температурах окружающей среды
    • Не требующая техобслуживания система охлаждения с использованием эффекта Пельтье
    • Прочный корпус из полиамида-6 с передним защитным стеклом
    • Термостатическое регулирование внутренней температуры
    • Контроль температуры с автоматическим отключением при превышении температуры
    • Юстировочное крепление для простого монтажа
    Ваши преимущества
    • Активное охлаждение датчиков с использованием эффекта Пельтье увеличивает их срок службы на 15 % при температуре окружающей среды 25 °C и на 400 % при температуре окружающей среды 45 °C. Благодаря более редкой замене датчиков значительно снижаются расходы на их замену.
    • Повышенная доступность датчиков исключает неожиданные поломки и связанные с этим простои оборудования. Тем самым исключаются затраты вследствие поломки оборудования и повышается производительность.
    • Постоянная внутренняя температура гарантирует высокую точность измеряемых значений и, соответственно, обеспечивает получение прецизионных результатов измерения
    • Электрическое охлаждение с использованием эффекта Пельтье не требует техобслуживания, необходимо лишь обеспечить подключение напряжения 24 В вместо затратного водяного охлаждения

    Технические чертежи

    Dimensional drawing

Пожалуйста, подождите…

Ваш запрос обрабатывается, это может занять несколько секунд.

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам / Хабр

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать

инновационные продукты на его основе

(нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями, так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…


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).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

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.

ООО НПО «Кристалл» — производитель высокоэффективных охладителей

Умное охлаждение для комфортной жизни

ООО НПО «Кристалл» — производитель высокоэффективных охладителей Пельтье, Термоэлектрических Охлаждающих Модулей (TEMs) и Термоэлектрических Сборок.

История

1997. Принятие решения о создании компании, подготовительная работа по разработке стратегии и тактики. Совершенствование оригинального способа производства профилированного кристалла методом управляемой кристаллизации. Получение совместного с Panasonic Corporation патента, защищающего способы массового производства термоэлектрических элементов Пельтье, основанных на методе Бриджмена.

1998. Запуск производственной линии в Москве. Начало продаж термоэлектрических элементов на внутреннем рынке. Работа по совершенствованию технологий, повышение качества и надежности термоэлектрических материалов. Разработка специальных анти диффузионных слоев для высокотемпературных модулей Пельтье.

1999. Участие в международном проекте по разработке новых термоэлектрических изделий.

2000. Расширение продаж и выход на зарубежные рынки. Массовое производство термоэлементов для микромодулей, используемых в электронике. Успешные поставки продукции в большинстве стран с традиционно развитым рынком термоэлектрической продукции.

2001. Освоение технологии серийного производства термоэлектрических модулей.

2002. Начало продаж опытных образцов термоэлектрических охлаждающих модулей на внутреннем и международном рынках.

2003. Победа в тендере на разработку высокоэффективных элементов Пельтье следующего поколения. Разработка финансировалась правительством Российской Федерации и была проведена в кооперации с ведущими университетами и исследовательскими центрами.

2004. Начало серийного производства термоэлектрических модулей на собственном заводе в городе Богородицк, Тульской области.

2005. Выход на проектные мощности серийного производства термоэлектрических элементов методом направленной кристаллизации в тонких щелях (метод Бриджмена) и серийного производства модулей Пельтье на их основе.

2006. Разработка серийной технологии вакуумного осаждения толстых пленок на термоэлектрические элементы для применения в модулях, генерирующих электрическую энергию.

2007. НИРиОКР по созданию термоэлектрических, полупроводниковых элементов на базе Bi2Te3 для низкотемпературных генераторных модулей.

2008. Первые серийные партии термоэлектрического генераторного материала и генераторных низкотемпературных модулей.

2009. Начало разработки мощного термоэлектрического кондиционера для кабины машиниста транспорта с электрическим приводом.

2010. Начало серийного производства миниатюрных модулей Пельтье.

2011. Начало производства холодильных агрегатов – термоэлектрических сборок.

2012. Начало серийного производства многокаскадных модулей Пельтье.

2013. Начало производства термоэлектрического кондиционера для кабины машинистов тепловоза. Мощность охлаждения не менее 4,5 кВт.

2014. Разработка новых типов термоэлектрических сборок для специальных применений.

2015. Разработаны и внедрены в серийное производство термоэлектрические сборки серии «Воздух-Воздух» для уличного применения.

2016. Начало производства изделий для охлаждения еды и напитков.

2017. Разработан термоэлектрический рециркуляционный чиллер холодопроизводительностью 150 и 250 Вт.

2018. Компания была сертифицирована на соответствие требованиям стандарта ISO 9001:2015 применительно к разработке, производству и реализации термоэлектрической продукции.

2019. Разработаны специальные высокоэффективные модули Пельтье и запущены в производство термоэлектрические сборки серии COPMAX на их основе.

2020. Компания успешно преодолела 2020 год несмотря на пандемию COVID-2019, уделяя первоочередное внимание безопасности сотрудников, увеличению выпуска продукции для оборудования, используемого при диагностике COVID-2019 и своевременного выполнения заказов своих потребителей. Разрабатывались и осваивались в производстве новые образцы продукции.

 

Элементы Пельтье? Элементарно! — NIKOLAB

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.

 

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

 

Обычно элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре, которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

 

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К.
 

Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством являются отсутствие механических частей и отсутствие шума.
 

Недостатком элемента Пельтье является низкий коэффициент полезного действия (50-60%), что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.
 

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика. Также элементы Пельтье находят применение в инкубаторах, климатических камерах и водяных банях.
 

 

Новое. Системы охлаждения на интернет-аукционе Au.ru

в наличии нет ожидается поставка

Технические параметры

Модель: TEC1-12715.

Размеры: 40mm x 40mm x 4.1mm.

Номинальный рабочий ток: 8-10 A (при напряжении 12В)

Максимальный рабочий ток: 15A

Максимальное напряжение 15.4В

Рабочая температура: -30 до 70С.

Тепловая мощность (охлаждение)*1: 137Вт

Тепловая мощность (нагрев)*2: 368Вт

Максимальная электрическая мощность 231Вт

1) это максимальная мощность при нулевой разнице температур между пластинами

2) это максимальная мощность выделяемая на горячей стороне,при нулевой разнице температур между пластинами и максимальном напряжении и токе.

Элемент Пельтье представляет собой керамическую пластинку размером 40х40х4мм с двумя проводами.

При пропускании тока одна сторона нагревается, другая — охлаждается (тепловой полупроводниковый насос).

Для охлаждения процессоров холодную сторону прикладывают на термопасте к чипу, а на горячую сажают мощный радиатор. Однокаскадная схема способна создать разницу температур градусов в 30-40, т.е. при определённом старании процессор можно охладить почти до нуля градусов.

Модули обратимы — те при изменении полярности поверхности нагрева и охлаждения поменяются местами.

Подробнее можно прочитать здесь:

http://Мощность 150Вт

Мощность 200Вт

В наличии водоблоки

Универсальный водоблок

Теплозащитная прокладка против конденсата

Теплозащитная прокладка

В наличии много светодиодов для оформления

Синий 3мм

Белый 3мм

Пурпурный 5мм

Салатно-зеленый 3мм

Изумрудный Зеленый 5мм

Красный 5мм

Красный 3мм

Желтый 3мм

RGB c общим анодом

ВНИМАНИЕ!

элементы пельтье нельзя включать без радиатора с на горячей стороне

нельзя допускать нагрев горячей стороны выше 80С

фото поврежденного элемента пельтье

видно как на горячей стороне (в данном случае это нижняя на фото)

припой вытек, а полупроводниковые кристаллы повреждены

Пример неправильной установки элемента пельтье на процессор

при такой установке

— будет образовываться конденсат (края элемента пельтье оказались в воздухе)

— существенно снизится кпд охлаждения за счет переохлаждения краев элемента пельтье

правильно — между процессором и элементом пельтье установить медную пластину-темплораспределитель 40х40х5мм

Теплоизоляция нужна для предотвращения образования конденсата

один из примеров

ссылки и видео по теме защиты от конденсата

http://www.hwp.ru/articles/Ohlazhdenie_elementom_Pelte/

http://www.thg.ru/cpu/20031231/print.html

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.

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) — это тепловые насосы, передающие тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье может переносить тепло с помощью эффекта Пельтье.Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами при протекании тока.

В зависимости от направления протекания постоянного тока возможно охлаждение и нагрев с помощью элементов Пельтье без изменения разъемов или механической настройки. Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно реализовать небольшие конструкции и нет движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, контролируется контроллером TEC.

Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье

Обычно идентификация производителя печатается на холодной стороне элемента Пельтье.Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье

.

Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снижать охлаждающую способность элемента.

Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют разные типы элементов Пельтье, они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.

Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные
Диапазон температур: разница температур dT макс до 130 ° C (многоступенчатый), макс.температура до 200 ° C
Максимальная холодопроизводительность: до 290 Вт

Элемент Пельтье Модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели. Модель

имеет следующие три эффекта.
  • Эффект Пельтье Q p : Передача тепла от одной стороны к другой. Описанный в этом уравнении Q p = I * α * T
  • Обратный поток тепла Q Rth : Тепловой поток от горячей стороны к холодной.Описанный в этом уравнении Q Rth = dT / Rth
  • Джоулевое нагревание / потери Q Rv представляют в сопротивлении R v : Описанное в этом уравнении Q Rv = I 2 * R v / 2.
    Тепло, выделяемое R v делится поровну на горячую и холодную стороны. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не учитывается в этом уравнении.

Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q c зависит от трех эффектов: Q p , Q Rth и Q Rv .

В случае охлаждения уравнение для Q c . Имеет следующий вид: Q c = Q p — Q Rth — Q Rv .

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств, элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляет производитель: Q max , dT max , U max , I max

  • Q max : Максимальная мощность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 ° K
  • dT max : максимальная разница температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
  • I макс. : ток через элемент Пельтье при Q макс.
  • U max : напряжение через элемент Пельтье при Q max

Параметры Q max и dT max являются теоретическими значениями и используются для описания поведения элементов Пельтье.Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрических устройствах. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.

В термоэлектрических системах всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементом Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье.Подобные диаграммы когда-то используются производителями, например Ferrotec. Все значения в диаграммах относительны.

Тепловой насос в сравнении с текущим

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между мощностью теплового насоса по оси Y и током по оси X для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T hot — T cold ) в случае охлаждения.


Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос vs.Текущий

Только при относительно небольших перепадах температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуется более высокая разница температур.

Перекачиваемое тепло Q C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, поскольку тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.

Обычно сквозной ток для элемента Пельтье должен быть в пределах от 0 до 0,7 от I max .

Динамика системы


Динамика системы. Нормализованная диаграмма зависимости теплоносителя от тока

Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры — и, следовательно, dT — или при увеличении тепловой нагрузки.

Если мы эксплуатируем элемент Пельтье с током около 25% от I max , то можно скомпенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка A — B — чтобы гарантировать, что производительность теплового насоса остается постоянной, ток должен быть увеличенным.Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если перейти от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I max , нам потребуется больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка D в E — когда производительность теплового насоса не должна измениться. Производительность теплового насоса все еще может быть увеличена без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает с близким к максимальному току, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока.Переход от более низкой к более высокой разнице температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)

Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне Q C , деленное на входную мощность P el элемента Пельтье: COP = Q C / P el . COP — это, в основном, эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

На следующей диаграмме показана зависимость производительности (COP) от отношения тока I / I max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.


На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от текущей зависимости. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий максимальную производительность при соответствующей разнице температур dT.

Слева мы видим, что КПД максимален при минимальном перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электроэнергии. Как мы видим, в зависимости от dT соответствующий максимум COP находится на разных уровнях тока — при более высоком dT он смещается вправо.Если мы проследим кривую вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить лишь небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что более высокие токи необходимы для создания более высоких температурных перепадов.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT> 0 K, заключается в том, что сначала необходимо компенсировать обратный поток тепла Q Rth за счет эффекта Пельтье Q p до того, как элемент Пельтье остынет.

Отвод тепла элемента Пельтье

На следующей диаграмме показана зависимость тепла Q h , рассеиваемого на теплой стороне элемента Пельтье, от тока при охлаждении.


Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока для различных температурных перепадов dT.

Значения нормированные и относительные. Как вы можете видеть, Q h , отклоненный элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q max . Количество тепла на горячей стороне Q h может быть настолько большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q p и тепло сопротивления потерь Q Rv должны рассеиваться.Q h = Q p + Q Применяется Rv .

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующей диаграмме показано соотношение между Q h и Q C для различных dT в случае охлаждения. Отношение Q h / Q c является фактором того, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.


Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, на количество перекачиваемого тепла по сравнению сток для разных dT.

Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q C = 1 Вт. Это дает 1,75 Вт тепла на горячей стороне Q h = 1,75 Вт, если dt = 20 К. При dT = 40 К это примерно 3,5 Вт на горячей стороне Q ч = 3,5 Вт

Напряжение vs.Текущий

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между напряжением на оси y и током на оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T hot — T cold ) в корпус охлаждения.


Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных dT.

Как видите, кривая линейная. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения.Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси ординат связано с эффектом Зеебека.

Многоступенчатые элементы Пельтье


Многоступенчатый элемент Пельтье

Все приведенные выше диаграммы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 K). Но Q max ниже, т.е. меньше тепла может рассеиваться.Это недостаток многоступенчатых элементов Пельтье.

Производителей

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) — это тепловые насосы, передающие тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье может переносить тепло с помощью эффекта Пельтье. Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами при протекании тока.

В зависимости от направления протекания постоянного тока возможно охлаждение и нагрев с помощью элементов Пельтье без изменения разъемов или механической настройки.Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно реализовать небольшие конструкции и нет движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, контролируется контроллером TEC.

Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье

Обычно идентификация производителя печатается на холодной стороне элемента Пельтье. Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье

.

Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снижать охлаждающую способность элемента.

Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют разные типы элементов Пельтье, они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.

Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные
Диапазон температур: разница температур dT макс до 130 ° C (многоступенчатый), макс. температура до 200 ° C
Максимальная холодопроизводительность: до 290 Вт

Элемент Пельтье Модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели.Модель

имеет следующие три эффекта.
  • Эффект Пельтье Q p : Передача тепла от одной стороны к другой. Описанный в этом уравнении Q p = I * α * T
  • Обратный поток тепла Q Rth : Тепловой поток от горячей стороны к холодной. Описанный в этом уравнении Q Rth = dT / Rth
  • Джоулевое нагревание / потери Q Rv представляют в сопротивлении R v : Описанное в этом уравнении Q Rv = I 2 * R v /2.
    Тепло, выделяемое R v , поровну распределяется между горячей и холодной стороной. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не учитывается в этом уравнении.

Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q c зависит от трех эффектов: Q p , Q Rth и Q Rv .

В случае охлаждения уравнение для Q c . Имеет следующий вид: Q c = Q p — Q Rth — Q Rv .

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств, элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляет производитель: Q max , dT max , U max , I max

  • Q max : Максимальная мощность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 ° K
  • dT max : максимальная разница температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
  • I макс. : ток через элемент Пельтье при Q макс.
  • U max : напряжение через элемент Пельтье при Q max

Параметры Q max и dT max являются теоретическими значениями и используются для описания поведения элементов Пельтье.Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрических устройствах. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.

В термоэлектрических системах всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементом Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье.Подобные диаграммы когда-то используются производителями, например Ferrotec. Все значения в диаграммах относительны.

Тепловой насос в сравнении с текущим

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между мощностью теплового насоса по оси Y и током по оси X для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T hot — T cold ) в случае охлаждения.


Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос vs.Текущий

Только при относительно небольших перепадах температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуется более высокая разница температур.

Перекачиваемое тепло Q C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, поскольку тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.

Обычно сквозной ток для элемента Пельтье должен быть в пределах от 0 до 0,7 от I max .

Динамика системы


Динамика системы. Нормализованная диаграмма зависимости теплоносителя от тока

Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры — и, следовательно, dT — или при увеличении тепловой нагрузки.

Если мы эксплуатируем элемент Пельтье с током около 25% от I max , то можно скомпенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка A — B — чтобы гарантировать, что производительность теплового насоса остается постоянной, ток должен быть увеличенным.Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если перейти от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I max , нам потребуется больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка D в E — когда производительность теплового насоса не должна измениться. Производительность теплового насоса все еще может быть увеличена без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает с близким к максимальному току, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока.Переход от более низкой к более высокой разнице температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)

Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне Q C , деленное на входную мощность P el элемента Пельтье: COP = Q C / P el . COP — это, в основном, эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

На следующей диаграмме показана зависимость производительности (COP) от отношения тока I / I max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.


На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от текущей зависимости. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий максимальную производительность при соответствующей разнице температур dT.

Слева мы видим, что КПД максимален при минимальном перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электроэнергии. Как мы видим, в зависимости от dT соответствующий максимум COP находится на разных уровнях тока — при более высоком dT он смещается вправо.Если мы проследим кривую вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить лишь небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что более высокие токи необходимы для создания более высоких температурных перепадов.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT> 0 K, заключается в том, что сначала необходимо компенсировать обратный поток тепла Q Rth за счет эффекта Пельтье Q p до того, как элемент Пельтье остынет.

Отвод тепла элемента Пельтье

На следующей диаграмме показана зависимость тепла Q h , рассеиваемого на теплой стороне элемента Пельтье, от тока при охлаждении.


Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока для различных температурных перепадов dT.

Значения нормированные и относительные. Как вы можете видеть, Q h , отклоненный элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q max . Количество тепла на горячей стороне Q h может быть настолько большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q p и тепло сопротивления потерь Q Rv должны рассеиваться.Q h = Q p + Q Применяется Rv .

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующей диаграмме показано соотношение между Q h и Q C для различных dT в случае охлаждения. Отношение Q h / Q c является фактором того, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.


Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, на количество перекачиваемого тепла по сравнению сток для разных dT.

Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q C = 1 Вт. Это дает 1,75 Вт тепла на горячей стороне Q h = 1,75 Вт, если dt = 20 К. При dT = 40 К это примерно 3,5 Вт на горячей стороне Q ч = 3,5 Вт

Напряжение vs.Текущий

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между напряжением на оси y и током на оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T hot — T cold ) в корпус охлаждения.


Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных dT.

Как видите, кривая линейная. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения.Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси ординат связано с эффектом Зеебека.

Многоступенчатые элементы Пельтье


Многоступенчатый элемент Пельтье

Все приведенные выше диаграммы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 K). Но Q max ниже, т.е. меньше тепла может рассеиваться.Это недостаток многоступенчатых элементов Пельтье.

Производителей

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) — это тепловые насосы, передающие тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье может переносить тепло с помощью эффекта Пельтье. Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами при протекании тока.

В зависимости от направления протекания постоянного тока возможно охлаждение и нагрев с помощью элементов Пельтье без изменения разъемов или механической настройки.Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно реализовать небольшие конструкции и нет движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, контролируется контроллером TEC.

Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье

Обычно идентификация производителя печатается на холодной стороне элемента Пельтье. Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье

.

Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снижать охлаждающую способность элемента.

Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют разные типы элементов Пельтье, они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.

Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные
Диапазон температур: разница температур dT макс до 130 ° C (многоступенчатый), макс. температура до 200 ° C
Максимальная холодопроизводительность: до 290 Вт

Элемент Пельтье Модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели.Модель

имеет следующие три эффекта.
  • Эффект Пельтье Q p : Передача тепла от одной стороны к другой. Описанный в этом уравнении Q p = I * α * T
  • Обратный поток тепла Q Rth : Тепловой поток от горячей стороны к холодной. Описанный в этом уравнении Q Rth = dT / Rth
  • Джоулевое нагревание / потери Q Rv представляют в сопротивлении R v : Описанное в этом уравнении Q Rv = I 2 * R v /2.
    Тепло, выделяемое R v , поровну распределяется между горячей и холодной стороной. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не учитывается в этом уравнении.

Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q c зависит от трех эффектов: Q p , Q Rth и Q Rv .

В случае охлаждения уравнение для Q c . Имеет следующий вид: Q c = Q p — Q Rth — Q Rv .

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств, элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляет производитель: Q max , dT max , U max , I max

  • Q max : Максимальная мощность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 ° K
  • dT max : максимальная разница температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
  • I макс. : ток через элемент Пельтье при Q макс.
  • U max : напряжение через элемент Пельтье при Q max

Параметры Q max и dT max являются теоретическими значениями и используются для описания поведения элементов Пельтье.Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрических устройствах. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.

В термоэлектрических системах всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементом Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье.Подобные диаграммы когда-то используются производителями, например Ferrotec. Все значения в диаграммах относительны.

Тепловой насос в сравнении с текущим

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между мощностью теплового насоса по оси Y и током по оси X для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T hot — T cold ) в случае охлаждения.


Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос vs.Текущий

Только при относительно небольших перепадах температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуется более высокая разница температур.

Перекачиваемое тепло Q C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, поскольку тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.

Обычно сквозной ток для элемента Пельтье должен быть в пределах от 0 до 0,7 от I max .

Динамика системы


Динамика системы. Нормализованная диаграмма зависимости теплоносителя от тока

Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры — и, следовательно, dT — или при увеличении тепловой нагрузки.

Если мы эксплуатируем элемент Пельтье с током около 25% от I max , то можно скомпенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка A — B — чтобы гарантировать, что производительность теплового насоса остается постоянной, ток должен быть увеличенным.Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если перейти от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I max , нам потребуется больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка D в E — когда производительность теплового насоса не должна измениться. Производительность теплового насоса все еще может быть увеличена без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает с близким к максимальному току, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока.Переход от более низкой к более высокой разнице температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)

Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне Q C , деленное на входную мощность P el элемента Пельтье: COP = Q C / P el . COP — это, в основном, эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

На следующей диаграмме показана зависимость производительности (COP) от отношения тока I / I max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.


На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от текущей зависимости. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий максимальную производительность при соответствующей разнице температур dT.

Слева мы видим, что КПД максимален при минимальном перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электроэнергии. Как мы видим, в зависимости от dT соответствующий максимум COP находится на разных уровнях тока — при более высоком dT он смещается вправо.Если мы проследим кривую вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить лишь небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что более высокие токи необходимы для создания более высоких температурных перепадов.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT> 0 K, заключается в том, что сначала необходимо компенсировать обратный поток тепла Q Rth за счет эффекта Пельтье Q p до того, как элемент Пельтье остынет.

Отвод тепла элемента Пельтье

На следующей диаграмме показана зависимость тепла Q h , рассеиваемого на теплой стороне элемента Пельтье, от тока при охлаждении.


Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока для различных температурных перепадов dT.

Значения нормированные и относительные. Как вы можете видеть, Q h , отклоненный элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q max . Количество тепла на горячей стороне Q h может быть настолько большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q p и тепло сопротивления потерь Q Rv должны рассеиваться.Q h = Q p + Q Применяется Rv .

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующей диаграмме показано соотношение между Q h и Q C для различных dT в случае охлаждения. Отношение Q h / Q c является фактором того, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.


Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, на количество перекачиваемого тепла по сравнению сток для разных dT.

Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q C = 1 Вт. Это дает 1,75 Вт тепла на горячей стороне Q h = 1,75 Вт, если dt = 20 К. При dT = 40 К это примерно 3,5 Вт на горячей стороне Q ч = 3,5 Вт

Напряжение vs.Текущий

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между напряжением на оси y и током на оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T hot — T cold ) в корпус охлаждения.


Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных dT.

Как видите, кривая линейная. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения.Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси ординат связано с эффектом Зеебека.

Многоступенчатые элементы Пельтье


Многоступенчатый элемент Пельтье

Все приведенные выше диаграммы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 K). Но Q max ниже, т.е. меньше тепла может рассеиваться.Это недостаток многоступенчатых элементов Пельтье.

Производителей

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) — это тепловые насосы, передающие тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье может переносить тепло с помощью эффекта Пельтье. Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами при протекании тока.

В зависимости от направления протекания постоянного тока возможно охлаждение и нагрев с помощью элементов Пельтье без изменения разъемов или механической настройки.Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно реализовать небольшие конструкции и нет движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, контролируется контроллером TEC.

Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье

Обычно идентификация производителя печатается на холодной стороне элемента Пельтье. Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье

.

Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снижать охлаждающую способность элемента.

Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют разные типы элементов Пельтье, они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.

Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные
Диапазон температур: разница температур dT макс до 130 ° C (многоступенчатый), макс. температура до 200 ° C
Максимальная холодопроизводительность: до 290 Вт

Элемент Пельтье Модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели.Модель

имеет следующие три эффекта.
  • Эффект Пельтье Q p : Передача тепла от одной стороны к другой. Описанный в этом уравнении Q p = I * α * T
  • Обратный поток тепла Q Rth : Тепловой поток от горячей стороны к холодной. Описанный в этом уравнении Q Rth = dT / Rth
  • Джоулевое нагревание / потери Q Rv представляют в сопротивлении R v : Описанное в этом уравнении Q Rv = I 2 * R v /2.
    Тепло, выделяемое R v , поровну распределяется между горячей и холодной стороной. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не учитывается в этом уравнении.

Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q c зависит от трех эффектов: Q p , Q Rth и Q Rv .

В случае охлаждения уравнение для Q c . Имеет следующий вид: Q c = Q p — Q Rth — Q Rv .

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств, элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляет производитель: Q max , dT max , U max , I max

  • Q max : Максимальная мощность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 ° K
  • dT max : максимальная разница температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
  • I макс. : ток через элемент Пельтье при Q макс.
  • U max : напряжение через элемент Пельтье при Q max

Параметры Q max и dT max являются теоретическими значениями и используются для описания поведения элементов Пельтье.Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрических устройствах. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.

В термоэлектрических системах всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементом Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье.Подобные диаграммы когда-то используются производителями, например Ferrotec. Все значения в диаграммах относительны.

Тепловой насос в сравнении с текущим

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между мощностью теплового насоса по оси Y и током по оси X для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T hot — T cold ) в случае охлаждения.


Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос vs.Текущий

Только при относительно небольших перепадах температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуется более высокая разница температур.

Перекачиваемое тепло Q C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, поскольку тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.

Обычно сквозной ток для элемента Пельтье должен быть в пределах от 0 до 0,7 от I max .

Динамика системы


Динамика системы. Нормализованная диаграмма зависимости теплоносителя от тока

Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры — и, следовательно, dT — или при увеличении тепловой нагрузки.

Если мы эксплуатируем элемент Пельтье с током около 25% от I max , то можно скомпенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка A — B — чтобы гарантировать, что производительность теплового насоса остается постоянной, ток должен быть увеличенным.Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если перейти от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I max , нам потребуется больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка D в E — когда производительность теплового насоса не должна измениться. Производительность теплового насоса все еще может быть увеличена без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает с близким к максимальному току, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока.Переход от более низкой к более высокой разнице температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)

Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне Q C , деленное на входную мощность P el элемента Пельтье: COP = Q C / P el . COP — это, в основном, эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

На следующей диаграмме показана зависимость производительности (COP) от отношения тока I / I max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.


На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от текущей зависимости. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий максимальную производительность при соответствующей разнице температур dT.

Слева мы видим, что КПД максимален при минимальном перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электроэнергии. Как мы видим, в зависимости от dT соответствующий максимум COP находится на разных уровнях тока — при более высоком dT он смещается вправо.Если мы проследим кривую вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить лишь небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что более высокие токи необходимы для создания более высоких температурных перепадов.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT> 0 K, заключается в том, что сначала необходимо компенсировать обратный поток тепла Q Rth за счет эффекта Пельтье Q p до того, как элемент Пельтье остынет.

Отвод тепла элемента Пельтье

На следующей диаграмме показана зависимость тепла Q h , рассеиваемого на теплой стороне элемента Пельтье, от тока при охлаждении.


Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока для различных температурных перепадов dT.

Значения нормированные и относительные. Как вы можете видеть, Q h , отклоненный элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q max . Количество тепла на горячей стороне Q h может быть настолько большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q p и тепло сопротивления потерь Q Rv должны рассеиваться.Q h = Q p + Q Применяется Rv .

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующей диаграмме показано соотношение между Q h и Q C для различных dT в случае охлаждения. Отношение Q h / Q c является фактором того, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.


Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, на количество перекачиваемого тепла по сравнению сток для разных dT.

Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q C = 1 Вт. Это дает 1,75 Вт тепла на горячей стороне Q h = 1,75 Вт, если dt = 20 К. При dT = 40 К это примерно 3,5 Вт на горячей стороне Q ч = 3,5 Вт

Напряжение vs.Текущий

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между напряжением на оси y и током на оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T hot — T cold ) в корпус охлаждения.


Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных dT.

Как видите, кривая линейная. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения.Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси ординат связано с эффектом Зеебека.

Многоступенчатые элементы Пельтье


Многоступенчатый элемент Пельтье

Все приведенные выше диаграммы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 K). Но Q max ниже, т.е. меньше тепла может рассеиваться.Это недостаток многоступенчатых элементов Пельтье.

Производителей

Руководство по проектированию элементов ТЕС / Пельтье

Контроллеры ТЕС используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В данном руководстве по проектированию системы содержится информация о том, как разработать простую систему термоэлектрического охлаждения с использованием контроллеров ТЕС и элементов Пельтье.При разработке термоэлектрического устройства охлаждение является критически важной частью. Итак, мы возьмем случай охлаждения объекта в качестве примера для руководства по дизайну.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Проектирование полной термоэлектрической системы может быть большой сложной задачей. Однако для более простой системы не следует теряться в деталях. Это руководство является отправной точкой для оценки проектных параметров с некоторыми упрощениями для нового приложения термоэлектрического охлаждения.
Шаг за шагом мы проходим все необходимые этапы проектирования, выделяем важные моменты и, наконец, рассчитываем пример приложения. Мы обрабатываем систему с помощью одноступенчатого элемента Пельтье. Многоступенчатые элементы Пельтье достигают более низких температур, но их сложнее проектировать.

Консультации по сложным тепловым расчетам

Мы сотрудничаем с Elinter AG, поставщиком полных, более сложных решений в области теплового проектирования. Elinter может помочь вам в разработке вашего термоэлектрического приложения.Это включает моделирование, проектирование, механическое строительство, а также выбор подходящей электроники, радиаторов и тепловых трубок.

Видео с термоэлектрическим охлаждением

Это видео объясняет основы термоэлектрического охлаждения. Мы приводим примеры важных шагов проектирования для успешного проектирования термоэлектрического приложения с использованием контроллеров TEC и элементов Пельтье.

Справочная информация

Термоэлектрическое охлаждение и обогрев используется для различных целей, даже при активном охлаждении ниже температуры окружающей среды или высокой точности (стабильность <0.01 ° C). Контроллер TEC - источник тока для элемента Пельтье - в сочетании с элементом Пельтье активно регулирует температуру данного объекта. Это делается без акустических и электрических шумов, вибраций и механических движущихся частей. Переход от охлаждения к нагреву возможен путем изменения направления тока без внесения каких-либо механических изменений.

При работе с элементами Пельтье существуют температурные пределы. Они доступны с максимальной рабочей температурой 200 ° C, где этот предел определяется температурой оплавления припоя и уплотнения.Другой предел — максимальная температура между горячей и холодной сторонами элемента Пельтье. В общих приложениях разница примерно в 50 К может быть реализована с помощью одноступенчатого элемента.
При использовании элемента Пельтье в качестве термоэлектрического охладителя существует предел, при котором температура снова будет повышаться при увеличении подачи тока. Это происходит из-за рассеяния мощности (I 2 R) внутри элемента Пельтье при потреблении большего тока, чем I max .

Типовая термоэлектрическая система

Основными частями термоэлектрической системы охлаждения, которые имеют отношение к нашему процессу проектирования, являются следующие:

  • Контроллер ТЕС
  • Элемент Пельтье
  • Радиатор

Другая важная деталь, напарник радиатора, не видна напрямую.Это окружающий воздух с его температурой, где рассеивается тепло.
Помимо вышеупомянутых частей, для всего приложения важны и другие компоненты. Это, например, датчики температуры, программное обеспечение для настройки и контроля контроллера ТЕС, вентилятор и, конечно же, источник питания.

Пожалуйста, посмотрите следующее видео, чтобы получить обзор контроллеров семейства TEC и их функций.

Тепловая схема

На этой схеме простой термоэлектрической системы показаны объекты, участвующие в пути теплового потока от объекта к окружающему воздуху.Это упрощенная схема, в которой мы предполагаем идеальную теплоизоляцию объектов, например на температуру объектов не влияет конвекция. (Q — теплоемкость каждой детали.)

Упрощенная схема системы охлаждения


Следующая — еще более упрощенная схема — представляет систему охлаждения и соответствующую температурную диаграмму справа. В этом случае объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая диаграмма температур

Процесс проектирования

При проектировании термоэлектрического охлаждающего устройства необходимо выполнить следующие шаги:

  1. Оценить тепловую нагрузку охлаждаемого объекта
  2. Определить рабочий диапазон температуры объекта и радиатора
  3. Выберите элемент Пельтье, удовлетворяющий требованиям
  4. Выберите контроллер ТЕС с подходящим диапазоном мощности
  5. Выберите радиатор для элемента Пельтье
  6. Выберите вентилятор для вентиляции радиатора (дополнительно)
  7. Выберите датчик температуры объекта и дополнительный датчик раковины
  8. Выберите источник питания для TEC controlle

Это итеративный процесс.Протестируйте свою экспериментальную установку, улучшите ее, повторите вышеуказанные шаги.

1. Оценка тепловых нагрузок

Важным параметром является количество тепла, которое должно быть поглощено от объекта холодной поверхностью ПЭМ или элемента Пельтье. (Q C [Вт])
В зависимости от области применения необходимо учитывать различные типы тепловой нагрузки:

  • Рассеиваемая мощность
  • Радиация
  • Конвективный
  • Проводящий
  • динамический (dQ / dT)

Эти нагрузки суммированы в тепловой нагрузке Q C , которая передается с холодной стороны на горячую, где расположен радиатор.

2. Определить температуру

Обычно задача состоит в том, чтобы охладить объект до заданной 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 описании применения термоэлектрического охлаждения важны два конструктивных параметра.

  • T O Температура объекта (температура холодной стороны) [° C]
  • T HS температура радиатора (температура горячей стороны) [° C] = T окр. + ΔT HS
    См. Раздел 5.Радиатор 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 — Т О

3. Выбор элемента Пельтье / ТЕМ-модуля

Элемент Пельтье создает разницу температур между его сторонами из-за протекания тока. Этот раздел основан на справочной информации со следующих страниц:

Одним из важных критериев при выборе элемента Пельтье является коэффициент полезного действия (COP).Определение COP — это тепло, поглощенное на холодной стороне, деленное на входную мощность элемента Пельтье: COP = Q C / P el
Результатом максимального COP является минимальная входная мощность Пельтье, таким образом, минимальная общая тепло отводится радиатором. (Q h = Q C + P el ) Следовательно, мы пытаемся найти рабочий ток, который в сочетании с определенным dT приводит к оптимальному COP.

Наконец, мы получаем оценку Q max , что позволяет нам выбрать элемент Пельтье.

Добавляем расчетную маржу на

  • выбор элемента Пельтье с мощностью теплового насоса выше требуемой,
  • , разработав систему с рабочим током значительно ниже I max элемента Пельтье,
  • или в качестве третьего варианта, увеличив размер радиатора или добавив к нему вентилятор, чтобы поддерживать низкую температуру горячей стороны.

При применении этих мер изменение температуры окружающей среды или активной тепловой нагрузки не приводит к тепловому разгоне.

Список дистрибьюторов см. На странице Элементы Пельтье.

4. Выбор контроллера ТЕС

Контроллер ТЕС регулирует ток, подаваемый на элемент Пельтье, в соответствии с желаемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта.

Мы выбираем рабочий ток для достижения оптимального COP. На основе этого тока мы выбираем контроллер TEC, а не на основе I max .

Пожалуйста, обратитесь к странице продукта контроллера TEC для обзора наших устройств.

5. Радиатор

Радиатор поглощает тепловую нагрузку с горячей стороны элемента Пельтье и отводит ее в окружающий воздух.

При подборе радиатора необходимо добавить некоторый запас, чтобы его температура не стала слишком высокой. Следующая диаграмма показывает, что тепло Q h , отклоняемое элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q max . Это происходит из-за внутреннего тепла в элементе Пельтье во время теплового насоса.Таким образом, общее тепло, которое должно рассеиваться на радиаторе, состоит из тепла объекта и тепла, производимого внутри элемента Пельтье.

На графике ниже показано соотношение между теплотой, отбрасываемой элементом Пельтье, в зависимости от тока для различных dT. Используйте графики, предоставленные производителем элемента Пельтье, чтобы оценить тепло, рассеиваемое радиатором.

Поскольку радиатор должен вписываться в приложение по своей форме и размерам, эффективность контроллера ТЕС также играет решающую роль, поскольку размер радиатора зависит от него.В зависимости от ваших требований решением может быть изготовленный на заказ радиатор или тепловая трубка.

Тепловое сопротивление рассчитывается по формуле: R thHS = ΔT HS / Q h [K / W]
ΔT HS = разница температур между радиатором и температурой окружающего воздуха [K]
Q h = Общая тепловая нагрузка (объект + потеря элемента Пельтье) [Вт]

Чтобы оценить ΔT HS , примите во внимание максимально возможную температуру окружающей среды, чтобы ваши расчеты в этом случае были верны.

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующем графике показано соотношение между Q h и Q C для различных dT. Отношение экспоненциально растет с каждым увеличением dT. Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.

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 реальное значение для dT HS . Поскольку нам пока неизвестен реальный Q h , мы оцениваем его по приведенному выше графику.

Найдите отношение Q h / Q C при заданном токе и dT.

Выберите желаемую разницу температур между радиатором и температурой окружающего воздуха ΔT HS .

Теперь мы можем заменить в приведенной выше формуле для R thHS Q h нашим соотношением Q h / Q C .

R thHS = ΔT HS / (отношение * Q C )

Конечно, размеры сохраняются только в том случае, если мы позже задействуем элемент Пельтье в выбранной рабочей точке (т. Е. С выбранным током).

Выбор теплового сопротивления радиатора может влиять на dT = T amb + ΔT HS — T O .
(ΔT HS = Q h / R thHS )

Дистрибьюторы / Производители

6.Вентилятор

Вентиляторное охлаждение радиатора снижает тепловое сопротивление радиатора окружающему воздуху.

Следовательно, вентилятор увеличивает тепловую производительность. Это уменьшает разницу температур dT или позволяет использовать радиаторы меньшего размера.

Контроллеры TEC позволяют управлять максимум двумя вентиляторами, которые поддерживают следующие функции:

  • Входной сигнал управления ШИМ для управления скоростью вентилятора. TEC генерирует ШИМ-сигнал 1 кГц или 25 кГц в диапазоне от 0 до 100%.
  • Выходной сигнал генератора частоты, представляющий скорость вращения. Выход должен быть выходным сигналом с открытым коллектором.

Рекомендуется использовать вентилятор с таким же напряжением питания, что и напряжение питания контроллера ТЕС.

Рекомендации для поклонников

Для получения подробной информации о функциях вентилятора, предложениях вентилятора и оптимальных настройках, пожалуйста, обратитесь к Руководству пользователя TEC Family, глава 6.3 (PDF).

Подключение вентилятора к контроллеру ТЕС

См. Страницу с примечаниями к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить вентилятор.

7. Пример расчетов

Рассчитаем для примера расчетные параметры термоэлектрической системы охлаждения.

Для выбора элемента Пельтье необходимы два тепловых параметра .

  • Максимальная холодопроизводительность Q max
  • Разница температур dT
Оценка тепловых нагрузок и определение температуры

Мы предполагаем, что объект с тепловой нагрузкой Q C = 10 Вт должен быть охлажден до нуля градусов Цельсия.(T O = 0 ° C) Предположим, что температура в помещении составляет 25 ° C, а температура радиатора T S ожидается на уровне 30 ° C. Таким образом, разница температур между холодной и горячей сторонами элемента Пельтье dT составляет 30 К. Важно помнить, что было бы неправильно рассчитывать dT как разницу между температурой окружающего воздуха и желаемой температурой объекта.

Выбор модуля Пельтье / ТЕМ

Наша цель — найти Q max , который был бы достаточно большим, чтобы покрыть необходимый Q C и дать лучший COP.

На графике зависимости производительности от тока мы находим максимум кривой dT = 30 K при токе I / I max = 0,45 . Как правило, это соотношение не должно быть выше 0,7.

Используя этот коэффициент для тока, мы находим на графике тепловой насос в зависимости от тока значение Q C / Q max = 0,25 для данной разницы температур dT = 30 K и относительного тока 0,45.

Теперь мы можем рассчитать Q max для элемента Пельтье. Q макс = Q C / 0,25 = 10 Вт / 0,25 = 40 Вт

На графике зависимости производительности от тока мы находим COP = 0,6 для нашего ранее считанного I / I max . Это позволяет нам 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 max = 41 Вт, dT max = 68 K, I max = 5 A и V max = 15,4 В.

Рабочий ток и напряжение рассчитываются следующим образом:
I = I max * (I / I max ) = 5 A * 0,45 = 2,25 A
V = P el / I = 16,7 Вт / 3.83A = 7,42 В

Выбор контроллера ТЕС

Исходя из рассчитанных значений, мы выбираем TEC-контроллер TEC-1091 с выходным током 4 А и выходным напряжением 21 В. Хорошо добавить некоторый расчетный запас, выбрав контроллер ТЕС с более высоким, чем требуется, выходным током. Позже, когда производительность системы станет общеизвестной, может быть достаточно другого контроллера с меньшей производительностью.

Радиатор

Чтобы найти радиатор для элемента Пельтье, нам нужно знать необходимое термическое сопротивление радиатора.На графике отклонения тепла от тока мы находим Q h / Q max = 0,6 для выбранного нами тока и dT. Таким образом, Q h = Q max * 0,6 = 41 Вт * 0,6 = 24,6 Вт.

Расчет теплового сопротивления радиатора:
R thHS = ΔT HS / Q h = 5 K / 24,6 Вт = 0,2 K / Вт
Нам нужен радиатор с меньшим тепловым сопротивлением чем 0,2 К / Вт.

Приведенные выше расчеты являются первой оценкой параметров термоэлектрической системы охлаждения.Для определения оптимальных параметров системы необходимо тестирование реальной системы и повторение этапов проектирования.

8. Датчики температуры

Датчики температуры используются контроллером ТЕС для измерения температуры объектов и температуры радиатора.

Измерение температуры объекта

Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, необходимо разместить на объекте температурный зонд (датчик). Обратите внимание, что важно разместить 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 предлагаем использовать датчики Pt100. Чтобы иметь возможность измерять температуру намного ниже 0 ° C, необходимы зонды Pt100 / 1000. Это потому, что, если температура становится слишком низкой, датчики NTC не могут использоваться, поскольку значение сопротивления становится слишком большим. Значение сопротивления датчика должно быть меньше эталонного сопротивления в контроллере ТЕС.

При использовании датчиков Pt100 / 1000 температура объекта измеряется с использованием метода измерения с четырьмя контактами (4-проводное измерение) для достижения более высокой точности при низких сопротивлениях.Для измерения NTC используется двухпроводная технология.

Термин «4-проводной» не означает, что необходим датчик с четырьмя контактами. Используются отдельные пары токоведущих и чувствительных электродов. (Дополнительная информация о четырехконтактном считывании)

Диапазон измерения температуры контроллера ТЕС зависит как от датчика температуры, так и от конфигурации оборудования. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему техническому описанию для получения подробной информации.

Подключение датчика температуры

См. Страницу примечаний к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить датчик температуры.

9. Требования к источникам питания

Блок питания является источником питания для контроллера ТЕС.

В зависимости от выбранного контроллера ТЕС необходимо выбрать источник питания. Убедитесь, что источник питания может обеспечить питание, необходимое для управления контроллером ТЕС с элементом Пельтье. (Как правило, вы можете добавить 10% резерва. Умножьте необходимую выходную мощность ТЕС на 1,1). Информацию о соотношении входного и выходного напряжения см. В таблице данных контроллера.

Рекомендации по источникам питания

10. Проверьте свою настройку

Теперь, когда вы выбрали системные компоненты, вы настраиваете приложение и начинаете тестирование и оптимизацию. Чтобы упростить сборку и первоначальную настройку с использованием нашего сервисного программного обеспечения, пожалуйста, обратитесь к нашему пошаговому руководству по настройке контроллера TEC.
Комплексное сервисное программное обеспечение можно загрузить и использовать бесплатно.

11. Узлы термоэлектрического охлаждения

Существуют также универсальные предварительно собранные термоэлектрические охлаждающие узлы, если вы не хотите строить систему с нуля.Эти модули обычно содержат металлическую пластину для крепления объекта, элемент Пельтье, радиатор и вентилятор. Использование таких сборок представляет интерес на этапе создания прототипа для первых экспериментов.

Руководство по проектированию элементов TEC / Пельтье

Контроллеры ТЕС используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока.Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В данном руководстве по проектированию системы содержится информация о том, как разработать простую систему термоэлектрического охлаждения с использованием контроллеров ТЕС и элементов Пельтье. При разработке термоэлектрического устройства охлаждение является критически важной частью. Итак, мы возьмем случай охлаждения объекта в качестве примера для руководства по дизайну.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Проектирование полной термоэлектрической системы может быть большой сложной задачей.Однако для более простой системы не следует теряться в деталях. Это руководство является отправной точкой для оценки проектных параметров с некоторыми упрощениями для нового приложения термоэлектрического охлаждения.
Шаг за шагом мы проходим все необходимые этапы проектирования, выделяем важные моменты и, наконец, рассчитываем пример приложения. Мы обрабатываем систему с помощью одноступенчатого элемента Пельтье. Многоступенчатые элементы Пельтье достигают более низких температур, но их сложнее проектировать.

Консультации по сложным тепловым расчетам

Мы сотрудничаем с Elinter AG, поставщиком полных, более сложных решений в области теплового проектирования.Elinter может помочь вам в разработке вашего термоэлектрического приложения. Это включает моделирование, проектирование, механическое строительство, а также выбор подходящей электроники, радиаторов и тепловых трубок.

Видео с термоэлектрическим охлаждением

Это видео объясняет основы термоэлектрического охлаждения. Мы приводим примеры важных шагов проектирования для успешного проектирования термоэлектрического приложения с использованием контроллеров TEC и элементов Пельтье.

Справочная информация

Термоэлектрическое охлаждение и обогрев используется для различных целей, даже при активном охлаждении ниже температуры окружающей среды или высокой точности (стабильность <0.01 ° C). Контроллер TEC - источник тока для элемента Пельтье - в сочетании с элементом Пельтье активно регулирует температуру данного объекта. Это делается без акустических и электрических шумов, вибраций и механических движущихся частей. Переход от охлаждения к нагреву возможен путем изменения направления тока без внесения каких-либо механических изменений.

При работе с элементами Пельтье существуют температурные пределы. Они доступны с максимальной рабочей температурой 200 ° C, где этот предел определяется температурой оплавления припоя и уплотнения.Другой предел — максимальная температура между горячей и холодной сторонами элемента Пельтье. В общих приложениях разница примерно в 50 К может быть реализована с помощью одноступенчатого элемента.
При использовании элемента Пельтье в качестве термоэлектрического охладителя существует предел, при котором температура снова будет повышаться при увеличении подачи тока. Это происходит из-за рассеяния мощности (I 2 R) внутри элемента Пельтье при потреблении большего тока, чем I max .

Типовая термоэлектрическая система

Основными частями термоэлектрической системы охлаждения, которые имеют отношение к нашему процессу проектирования, являются следующие:

  • Контроллер ТЕС
  • Элемент Пельтье
  • Радиатор

Другая важная деталь, напарник радиатора, не видна напрямую.Это окружающий воздух с его температурой, где рассеивается тепло.
Помимо вышеупомянутых частей, для всего приложения важны и другие компоненты. Это, например, датчики температуры, программное обеспечение для настройки и контроля контроллера ТЕС, вентилятор и, конечно же, источник питания.

Пожалуйста, посмотрите следующее видео, чтобы получить обзор контроллеров семейства TEC и их функций.

Тепловая схема

На этой схеме простой термоэлектрической системы показаны объекты, участвующие в пути теплового потока от объекта к окружающему воздуху.Это упрощенная схема, в которой мы предполагаем идеальную теплоизоляцию объектов, например на температуру объектов не влияет конвекция. (Q — теплоемкость каждой детали.)

Упрощенная схема системы охлаждения


Следующая — еще более упрощенная схема — представляет систему охлаждения и соответствующую температурную диаграмму справа. В этом случае объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая диаграмма температур

Процесс проектирования

При проектировании термоэлектрического охлаждающего устройства необходимо выполнить следующие шаги:

  1. Оценить тепловую нагрузку охлаждаемого объекта
  2. Определить рабочий диапазон температуры объекта и радиатора
  3. Выберите элемент Пельтье, удовлетворяющий требованиям
  4. Выберите контроллер ТЕС с подходящим диапазоном мощности
  5. Выберите радиатор для элемента Пельтье
  6. Выберите вентилятор для вентиляции радиатора (дополнительно)
  7. Выберите датчик температуры объекта и дополнительный датчик раковины
  8. Выберите источник питания для TEC controlle

Это итеративный процесс.Протестируйте свою экспериментальную установку, улучшите ее, повторите вышеуказанные шаги.

1. Оценка тепловых нагрузок

Важным параметром является количество тепла, которое должно быть поглощено от объекта холодной поверхностью ПЭМ или элемента Пельтье. (Q C [Вт])
В зависимости от области применения необходимо учитывать различные типы тепловой нагрузки:

  • Рассеиваемая мощность
  • Радиация
  • Конвективный
  • Проводящий
  • динамический (dQ / dT)

Эти нагрузки суммированы в тепловой нагрузке Q C , которая передается с холодной стороны на горячую, где расположен радиатор.

2. Определить температуру

Обычно задача состоит в том, чтобы охладить объект до заданной 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 описании применения термоэлектрического охлаждения важны два конструктивных параметра.

  • T O Температура объекта (температура холодной стороны) [° C]
  • T HS температура радиатора (температура горячей стороны) [° C] = T окр. + ΔT HS
    См. Раздел 5.Радиатор 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 — Т О

3. Выбор элемента Пельтье / ТЕМ-модуля

Элемент Пельтье создает разницу температур между его сторонами из-за протекания тока. Этот раздел основан на справочной информации со следующих страниц:

Одним из важных критериев при выборе элемента Пельтье является коэффициент полезного действия (COP).Определение COP — это тепло, поглощенное на холодной стороне, деленное на входную мощность элемента Пельтье: COP = Q C / P el
Результатом максимального COP является минимальная входная мощность Пельтье, таким образом, минимальная общая тепло отводится радиатором. (Q h = Q C + P el ) Следовательно, мы пытаемся найти рабочий ток, который в сочетании с определенным dT приводит к оптимальному COP.

Наконец, мы получаем оценку Q max , что позволяет нам выбрать элемент Пельтье.

Добавляем расчетную маржу на

  • выбор элемента Пельтье с мощностью теплового насоса выше требуемой,
  • , разработав систему с рабочим током значительно ниже I max элемента Пельтье,
  • или в качестве третьего варианта, увеличив размер радиатора или добавив к нему вентилятор, чтобы поддерживать низкую температуру горячей стороны.

При применении этих мер изменение температуры окружающей среды или активной тепловой нагрузки не приводит к тепловому разгоне.

Список дистрибьюторов см. На странице Элементы Пельтье.

4. Выбор контроллера ТЕС

Контроллер ТЕС регулирует ток, подаваемый на элемент Пельтье, в соответствии с желаемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта.

Мы выбираем рабочий ток для достижения оптимального COP. На основе этого тока мы выбираем контроллер TEC, а не на основе I max .

Пожалуйста, обратитесь к странице продукта контроллера TEC для обзора наших устройств.

5. Радиатор

Радиатор поглощает тепловую нагрузку с горячей стороны элемента Пельтье и отводит ее в окружающий воздух.

При подборе радиатора необходимо добавить некоторый запас, чтобы его температура не стала слишком высокой. Следующая диаграмма показывает, что тепло Q h , отклоняемое элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q max . Это происходит из-за внутреннего тепла в элементе Пельтье во время теплового насоса.Таким образом, общее тепло, которое должно рассеиваться на радиаторе, состоит из тепла объекта и тепла, производимого внутри элемента Пельтье.

На графике ниже показано соотношение между теплотой, отбрасываемой элементом Пельтье, в зависимости от тока для различных dT. Используйте графики, предоставленные производителем элемента Пельтье, чтобы оценить тепло, рассеиваемое радиатором.

Поскольку радиатор должен вписываться в приложение по своей форме и размерам, эффективность контроллера ТЕС также играет решающую роль, поскольку размер радиатора зависит от него.В зависимости от ваших требований решением может быть изготовленный на заказ радиатор или тепловая трубка.

Тепловое сопротивление рассчитывается по формуле: R thHS = ΔT HS / Q h [K / W]
ΔT HS = разница температур между радиатором и температурой окружающего воздуха [K]
Q h = Общая тепловая нагрузка (объект + потеря элемента Пельтье) [Вт]

Чтобы оценить ΔT HS , примите во внимание максимально возможную температуру окружающей среды, чтобы ваши расчеты в этом случае были верны.

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующем графике показано соотношение между Q h и Q C для различных dT. Отношение экспоненциально растет с каждым увеличением dT. Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.

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 реальное значение для dT HS . Поскольку нам пока неизвестен реальный Q h , мы оцениваем его по приведенному выше графику.

Найдите отношение Q h / Q C при заданном токе и dT.

Выберите желаемую разницу температур между радиатором и температурой окружающего воздуха ΔT HS .

Теперь мы можем заменить в приведенной выше формуле для R thHS Q h нашим соотношением Q h / Q C .

R thHS = ΔT HS / (отношение * Q C )

Конечно, размеры сохраняются только в том случае, если мы позже задействуем элемент Пельтье в выбранной рабочей точке (т. Е. С выбранным током).

Выбор теплового сопротивления радиатора может влиять на dT = T amb + ΔT HS — T O .
(ΔT HS = Q h / R thHS )

Дистрибьюторы / Производители

6.Вентилятор

Вентиляторное охлаждение радиатора снижает тепловое сопротивление радиатора окружающему воздуху.

Следовательно, вентилятор увеличивает тепловую производительность. Это уменьшает разницу температур dT или позволяет использовать радиаторы меньшего размера.

Контроллеры TEC позволяют управлять максимум двумя вентиляторами, которые поддерживают следующие функции:

  • Входной сигнал управления ШИМ для управления скоростью вентилятора. TEC генерирует ШИМ-сигнал 1 кГц или 25 кГц в диапазоне от 0 до 100%.
  • Выходной сигнал генератора частоты, представляющий скорость вращения. Выход должен быть выходным сигналом с открытым коллектором.

Рекомендуется использовать вентилятор с таким же напряжением питания, что и напряжение питания контроллера ТЕС.

Рекомендации для поклонников

Для получения подробной информации о функциях вентилятора, предложениях вентилятора и оптимальных настройках, пожалуйста, обратитесь к Руководству пользователя TEC Family, глава 6.3 (PDF).

Подключение вентилятора к контроллеру ТЕС

См. Страницу с примечаниями к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить вентилятор.

7. Пример расчетов

Рассчитаем для примера расчетные параметры термоэлектрической системы охлаждения.

Для выбора элемента Пельтье необходимы два тепловых параметра .

  • Максимальная холодопроизводительность Q max
  • Разница температур dT
Оценка тепловых нагрузок и определение температуры

Мы предполагаем, что объект с тепловой нагрузкой Q C = 10 Вт должен быть охлажден до нуля градусов Цельсия.(T O = 0 ° C) Предположим, что температура в помещении составляет 25 ° C, а температура радиатора T S ожидается на уровне 30 ° C. Таким образом, разница температур между холодной и горячей сторонами элемента Пельтье dT составляет 30 К. Важно помнить, что было бы неправильно рассчитывать dT как разницу между температурой окружающего воздуха и желаемой температурой объекта.

Выбор модуля Пельтье / ТЕМ

Наша цель — найти Q max , который был бы достаточно большим, чтобы покрыть необходимый Q C и дать лучший COP.

На графике зависимости производительности от тока мы находим максимум кривой dT = 30 K при токе I / I max = 0,45 . Как правило, это соотношение не должно быть выше 0,7.

Используя этот коэффициент для тока, мы находим на графике тепловой насос в зависимости от тока значение Q C / Q max = 0,25 для данной разницы температур dT = 30 K и относительного тока 0,45.

Теперь мы можем рассчитать Q max для элемента Пельтье. Q макс = Q C / 0,25 = 10 Вт / 0,25 = 40 Вт

На графике зависимости производительности от тока мы находим COP = 0,6 для нашего ранее считанного I / I max . Это позволяет нам 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 max = 41 Вт, dT max = 68 K, I max = 5 A и V max = 15,4 В.

Рабочий ток и напряжение рассчитываются следующим образом:
I = I max * (I / I max ) = 5 A * 0,45 = 2,25 A
V = P el / I = 16,7 Вт / 3.83A = 7,42 В

Выбор контроллера ТЕС

Исходя из рассчитанных значений, мы выбираем TEC-контроллер TEC-1091 с выходным током 4 А и выходным напряжением 21 В. Хорошо добавить некоторый расчетный запас, выбрав контроллер ТЕС с более высоким, чем требуется, выходным током. Позже, когда производительность системы станет общеизвестной, может быть достаточно другого контроллера с меньшей производительностью.

Радиатор

Чтобы найти радиатор для элемента Пельтье, нам нужно знать необходимое термическое сопротивление радиатора.На графике отклонения тепла от тока мы находим Q h / Q max = 0,6 для выбранного нами тока и dT. Таким образом, Q h = Q max * 0,6 = 41 Вт * 0,6 = 24,6 Вт.

Расчет теплового сопротивления радиатора:
R thHS = ΔT HS / Q h = 5 K / 24,6 Вт = 0,2 K / Вт
Нам нужен радиатор с меньшим тепловым сопротивлением чем 0,2 К / Вт.

Приведенные выше расчеты являются первой оценкой параметров термоэлектрической системы охлаждения.Для определения оптимальных параметров системы необходимо тестирование реальной системы и повторение этапов проектирования.

8. Датчики температуры

Датчики температуры используются контроллером ТЕС для измерения температуры объектов и температуры радиатора.

Измерение температуры объекта

Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, необходимо разместить на объекте температурный зонд (датчик). Обратите внимание, что важно разместить 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 предлагаем использовать датчики Pt100. Чтобы иметь возможность измерять температуру намного ниже 0 ° C, необходимы зонды Pt100 / 1000. Это потому, что, если температура становится слишком низкой, датчики NTC не могут использоваться, поскольку значение сопротивления становится слишком большим. Значение сопротивления датчика должно быть меньше эталонного сопротивления в контроллере ТЕС.

При использовании датчиков Pt100 / 1000 температура объекта измеряется с использованием метода измерения с четырьмя контактами (4-проводное измерение) для достижения более высокой точности при низких сопротивлениях.Для измерения NTC используется двухпроводная технология.

Термин «4-проводной» не означает, что необходим датчик с четырьмя контактами. Используются отдельные пары токоведущих и чувствительных электродов. (Дополнительная информация о четырехконтактном считывании)

Диапазон измерения температуры контроллера ТЕС зависит как от датчика температуры, так и от конфигурации оборудования. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему техническому описанию для получения подробной информации.

Подключение датчика температуры

См. Страницу примечаний к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить датчик температуры.

9. Требования к источникам питания

Блок питания является источником питания для контроллера ТЕС.

В зависимости от выбранного контроллера ТЕС необходимо выбрать источник питания. Убедитесь, что источник питания может обеспечить питание, необходимое для управления контроллером ТЕС с элементом Пельтье. (Как правило, вы можете добавить 10% резерва. Умножьте необходимую выходную мощность ТЕС на 1,1). Информацию о соотношении входного и выходного напряжения см. В таблице данных контроллера.

Рекомендации по источникам питания

10. Проверьте свою настройку

Теперь, когда вы выбрали системные компоненты, вы настраиваете приложение и начинаете тестирование и оптимизацию. Чтобы упростить сборку и первоначальную настройку с использованием нашего сервисного программного обеспечения, пожалуйста, обратитесь к нашему пошаговому руководству по настройке контроллера TEC.
Комплексное сервисное программное обеспечение можно загрузить и использовать бесплатно.

11. Узлы термоэлектрического охлаждения

Существуют также универсальные предварительно собранные термоэлектрические охлаждающие узлы, если вы не хотите строить систему с нуля.Эти модули обычно содержат металлическую пластину для крепления объекта, элемент Пельтье, радиатор и вентилятор. Использование таких сборок представляет интерес на этапе создания прототипа для первых экспериментов.

Руководство по проектированию элементов TEC / Пельтье

Контроллеры ТЕС используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока.Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В данном руководстве по проектированию системы содержится информация о том, как разработать простую систему термоэлектрического охлаждения с использованием контроллеров ТЕС и элементов Пельтье. При разработке термоэлектрического устройства охлаждение является критически важной частью. Итак, мы возьмем случай охлаждения объекта в качестве примера для руководства по дизайну.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Проектирование полной термоэлектрической системы может быть большой сложной задачей.Однако для более простой системы не следует теряться в деталях. Это руководство является отправной точкой для оценки проектных параметров с некоторыми упрощениями для нового приложения термоэлектрического охлаждения.
Шаг за шагом мы проходим все необходимые этапы проектирования, выделяем важные моменты и, наконец, рассчитываем пример приложения. Мы обрабатываем систему с помощью одноступенчатого элемента Пельтье. Многоступенчатые элементы Пельтье достигают более низких температур, но их сложнее проектировать.

Консультации по сложным тепловым расчетам

Мы сотрудничаем с Elinter AG, поставщиком полных, более сложных решений в области теплового проектирования.Elinter может помочь вам в разработке вашего термоэлектрического приложения. Это включает моделирование, проектирование, механическое строительство, а также выбор подходящей электроники, радиаторов и тепловых трубок.

Видео с термоэлектрическим охлаждением

Это видео объясняет основы термоэлектрического охлаждения. Мы приводим примеры важных шагов проектирования для успешного проектирования термоэлектрического приложения с использованием контроллеров TEC и элементов Пельтье.

Справочная информация

Термоэлектрическое охлаждение и обогрев используется для различных целей, даже при активном охлаждении ниже температуры окружающей среды или высокой точности (стабильность <0.01 ° C). Контроллер TEC - источник тока для элемента Пельтье - в сочетании с элементом Пельтье активно регулирует температуру данного объекта. Это делается без акустических и электрических шумов, вибраций и механических движущихся частей. Переход от охлаждения к нагреву возможен путем изменения направления тока без внесения каких-либо механических изменений.

При работе с элементами Пельтье существуют температурные пределы. Они доступны с максимальной рабочей температурой 200 ° C, где этот предел определяется температурой оплавления припоя и уплотнения.Другой предел — максимальная температура между горячей и холодной сторонами элемента Пельтье. В общих приложениях разница примерно в 50 К может быть реализована с помощью одноступенчатого элемента.
При использовании элемента Пельтье в качестве термоэлектрического охладителя существует предел, при котором температура снова будет повышаться при увеличении подачи тока. Это происходит из-за рассеяния мощности (I 2 R) внутри элемента Пельтье при потреблении большего тока, чем I max .

Типовая термоэлектрическая система

Основными частями термоэлектрической системы охлаждения, которые имеют отношение к нашему процессу проектирования, являются следующие:

  • Контроллер ТЕС
  • Элемент Пельтье
  • Радиатор

Другая важная деталь, напарник радиатора, не видна напрямую.Это окружающий воздух с его температурой, где рассеивается тепло.
Помимо вышеупомянутых частей, для всего приложения важны и другие компоненты. Это, например, датчики температуры, программное обеспечение для настройки и контроля контроллера ТЕС, вентилятор и, конечно же, источник питания.

Пожалуйста, посмотрите следующее видео, чтобы получить обзор контроллеров семейства TEC и их функций.

Тепловая схема

На этой схеме простой термоэлектрической системы показаны объекты, участвующие в пути теплового потока от объекта к окружающему воздуху.Это упрощенная схема, в которой мы предполагаем идеальную теплоизоляцию объектов, например на температуру объектов не влияет конвекция. (Q — теплоемкость каждой детали.)

Упрощенная схема системы охлаждения


Следующая — еще более упрощенная схема — представляет систему охлаждения и соответствующую температурную диаграмму справа. В этом случае объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая диаграмма температур

Процесс проектирования

При проектировании термоэлектрического охлаждающего устройства необходимо выполнить следующие шаги:

  1. Оценить тепловую нагрузку охлаждаемого объекта
  2. Определить рабочий диапазон температуры объекта и радиатора
  3. Выберите элемент Пельтье, удовлетворяющий требованиям
  4. Выберите контроллер ТЕС с подходящим диапазоном мощности
  5. Выберите радиатор для элемента Пельтье
  6. Выберите вентилятор для вентиляции радиатора (дополнительно)
  7. Выберите датчик температуры объекта и дополнительный датчик раковины
  8. Выберите источник питания для TEC controlle

Это итеративный процесс.Протестируйте свою экспериментальную установку, улучшите ее, повторите вышеуказанные шаги.

1. Оценка тепловых нагрузок

Важным параметром является количество тепла, которое должно быть поглощено от объекта холодной поверхностью ПЭМ или элемента Пельтье. (Q C [Вт])
В зависимости от области применения необходимо учитывать различные типы тепловой нагрузки:

  • Рассеиваемая мощность
  • Радиация
  • Конвективный
  • Проводящий
  • динамический (dQ / dT)

Эти нагрузки суммированы в тепловой нагрузке Q C , которая передается с холодной стороны на горячую, где расположен радиатор.

2. Определить температуру

Обычно задача состоит в том, чтобы охладить объект до заданной 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 описании применения термоэлектрического охлаждения важны два конструктивных параметра.

  • T O Температура объекта (температура холодной стороны) [° C]
  • T HS температура радиатора (температура горячей стороны) [° C] = T окр. + ΔT HS
    См. Раздел 5.Радиатор 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 — Т О

3. Выбор элемента Пельтье / ТЕМ-модуля

Элемент Пельтье создает разницу температур между его сторонами из-за протекания тока. Этот раздел основан на справочной информации со следующих страниц:

Одним из важных критериев при выборе элемента Пельтье является коэффициент полезного действия (COP).Определение COP — это тепло, поглощенное на холодной стороне, деленное на входную мощность элемента Пельтье: COP = Q C / P el
Результатом максимального COP является минимальная входная мощность Пельтье, таким образом, минимальная общая тепло отводится радиатором. (Q h = Q C + P el ) Следовательно, мы пытаемся найти рабочий ток, который в сочетании с определенным dT приводит к оптимальному COP.

Наконец, мы получаем оценку Q max , что позволяет нам выбрать элемент Пельтье.

Добавляем расчетную маржу на

  • выбор элемента Пельтье с мощностью теплового насоса выше требуемой,
  • , разработав систему с рабочим током значительно ниже I max элемента Пельтье,
  • или в качестве третьего варианта, увеличив размер радиатора или добавив к нему вентилятор, чтобы поддерживать низкую температуру горячей стороны.

При применении этих мер изменение температуры окружающей среды или активной тепловой нагрузки не приводит к тепловому разгоне.

Список дистрибьюторов см. На странице Элементы Пельтье.

4. Выбор контроллера ТЕС

Контроллер ТЕС регулирует ток, подаваемый на элемент Пельтье, в соответствии с желаемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта.

Мы выбираем рабочий ток для достижения оптимального COP. На основе этого тока мы выбираем контроллер TEC, а не на основе I max .

Пожалуйста, обратитесь к странице продукта контроллера TEC для обзора наших устройств.

5. Радиатор

Радиатор поглощает тепловую нагрузку с горячей стороны элемента Пельтье и отводит ее в окружающий воздух.

При подборе радиатора необходимо добавить некоторый запас, чтобы его температура не стала слишком высокой. Следующая диаграмма показывает, что тепло Q h , отклоняемое элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q max . Это происходит из-за внутреннего тепла в элементе Пельтье во время теплового насоса.Таким образом, общее тепло, которое должно рассеиваться на радиаторе, состоит из тепла объекта и тепла, производимого внутри элемента Пельтье.

На графике ниже показано соотношение между теплотой, отбрасываемой элементом Пельтье, в зависимости от тока для различных dT. Используйте графики, предоставленные производителем элемента Пельтье, чтобы оценить тепло, рассеиваемое радиатором.

Поскольку радиатор должен вписываться в приложение по своей форме и размерам, эффективность контроллера ТЕС также играет решающую роль, поскольку размер радиатора зависит от него.В зависимости от ваших требований решением может быть изготовленный на заказ радиатор или тепловая трубка.

Тепловое сопротивление рассчитывается по формуле: R thHS = ΔT HS / Q h [K / W]
ΔT HS = разница температур между радиатором и температурой окружающего воздуха [K]
Q h = Общая тепловая нагрузка (объект + потеря элемента Пельтье) [Вт]

Чтобы оценить ΔT HS , примите во внимание максимально возможную температуру окружающей среды, чтобы ваши расчеты в этом случае были верны.

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующем графике показано соотношение между Q h и Q C для различных dT. Отношение экспоненциально растет с каждым увеличением dT. Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.

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 реальное значение для dT HS . Поскольку нам пока неизвестен реальный Q h , мы оцениваем его по приведенному выше графику.

Найдите отношение Q h / Q C при заданном токе и dT.

Выберите желаемую разницу температур между радиатором и температурой окружающего воздуха ΔT HS .

Теперь мы можем заменить в приведенной выше формуле для R thHS Q h нашим соотношением Q h / Q C .

R thHS = ΔT HS / (отношение * Q C )

Конечно, размеры сохраняются только в том случае, если мы позже задействуем элемент Пельтье в выбранной рабочей точке (т. Е. С выбранным током).

Выбор теплового сопротивления радиатора может влиять на dT = T amb + ΔT HS — T O .
(ΔT HS = Q h / R thHS )

Дистрибьюторы / Производители

6.Вентилятор

Вентиляторное охлаждение радиатора снижает тепловое сопротивление радиатора окружающему воздуху.

Следовательно, вентилятор увеличивает тепловую производительность. Это уменьшает разницу температур dT или позволяет использовать радиаторы меньшего размера.

Контроллеры TEC позволяют управлять максимум двумя вентиляторами, которые поддерживают следующие функции:

  • Входной сигнал управления ШИМ для управления скоростью вентилятора. TEC генерирует ШИМ-сигнал 1 кГц или 25 кГц в диапазоне от 0 до 100%.
  • Выходной сигнал генератора частоты, представляющий скорость вращения. Выход должен быть выходным сигналом с открытым коллектором.

Рекомендуется использовать вентилятор с таким же напряжением питания, что и напряжение питания контроллера ТЕС.

Рекомендации для поклонников

Для получения подробной информации о функциях вентилятора, предложениях вентилятора и оптимальных настройках, пожалуйста, обратитесь к Руководству пользователя TEC Family, глава 6.3 (PDF).

Подключение вентилятора к контроллеру ТЕС

См. Страницу с примечаниями к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить вентилятор.

7. Пример расчетов

Рассчитаем для примера расчетные параметры термоэлектрической системы охлаждения.

Для выбора элемента Пельтье необходимы два тепловых параметра .

  • Максимальная холодопроизводительность Q max
  • Разница температур dT
Оценка тепловых нагрузок и определение температуры

Мы предполагаем, что объект с тепловой нагрузкой Q C = 10 Вт должен быть охлажден до нуля градусов Цельсия.(T O = 0 ° C) Предположим, что температура в помещении составляет 25 ° C, а температура радиатора T S ожидается на уровне 30 ° C. Таким образом, разница температур между холодной и горячей сторонами элемента Пельтье dT составляет 30 К. Важно помнить, что было бы неправильно рассчитывать dT как разницу между температурой окружающего воздуха и желаемой температурой объекта.

Выбор модуля Пельтье / ТЕМ

Наша цель — найти Q max , который был бы достаточно большим, чтобы покрыть необходимый Q C и дать лучший COP.

На графике зависимости производительности от тока мы находим максимум кривой dT = 30 K при токе I / I max = 0,45 . Как правило, это соотношение не должно быть выше 0,7.

Используя этот коэффициент для тока, мы находим на графике тепловой насос в зависимости от тока значение Q C / Q max = 0,25 для данной разницы температур dT = 30 K и относительного тока 0,45.

Теперь мы можем рассчитать Q max для элемента Пельтье. Q макс = Q C / 0,25 = 10 Вт / 0,25 = 40 Вт

На графике зависимости производительности от тока мы находим COP = 0,6 для нашего ранее считанного I / I max . Это позволяет нам 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 max = 41 Вт, dT max = 68 K, I max = 5 A и V max = 15,4 В.

Рабочий ток и напряжение рассчитываются следующим образом:
I = I max * (I / I max ) = 5 A * 0,45 = 2,25 A
V = P el / I = 16,7 Вт / 3.83A = 7,42 В

Выбор контроллера ТЕС

Исходя из рассчитанных значений, мы выбираем TEC-контроллер TEC-1091 с выходным током 4 А и выходным напряжением 21 В. Хорошо добавить некоторый расчетный запас, выбрав контроллер ТЕС с более высоким, чем требуется, выходным током. Позже, когда производительность системы станет общеизвестной, может быть достаточно другого контроллера с меньшей производительностью.

Радиатор

Чтобы найти радиатор для элемента Пельтье, нам нужно знать необходимое термическое сопротивление радиатора.На графике отклонения тепла от тока мы находим Q h / Q max = 0,6 для выбранного нами тока и dT. Таким образом, Q h = Q max * 0,6 = 41 Вт * 0,6 = 24,6 Вт.

Расчет теплового сопротивления радиатора:
R thHS = ΔT HS / Q h = 5 K / 24,6 Вт = 0,2 K / Вт
Нам нужен радиатор с меньшим тепловым сопротивлением чем 0,2 К / Вт.

Приведенные выше расчеты являются первой оценкой параметров термоэлектрической системы охлаждения.Для определения оптимальных параметров системы необходимо тестирование реальной системы и повторение этапов проектирования.

8. Датчики температуры

Датчики температуры используются контроллером ТЕС для измерения температуры объектов и температуры радиатора.

Измерение температуры объекта

Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, необходимо разместить на объекте температурный зонд (датчик). Обратите внимание, что важно разместить 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 предлагаем использовать датчики Pt100. Чтобы иметь возможность измерять температуру намного ниже 0 ° C, необходимы зонды Pt100 / 1000. Это потому, что, если температура становится слишком низкой, датчики NTC не могут использоваться, поскольку значение сопротивления становится слишком большим. Значение сопротивления датчика должно быть меньше эталонного сопротивления в контроллере ТЕС.

При использовании датчиков Pt100 / 1000 температура объекта измеряется с использованием метода измерения с четырьмя контактами (4-проводное измерение) для достижения более высокой точности при низких сопротивлениях.Для измерения NTC используется двухпроводная технология.

Термин «4-проводной» не означает, что необходим датчик с четырьмя контактами. Используются отдельные пары токоведущих и чувствительных электродов. (Дополнительная информация о четырехконтактном считывании)

Диапазон измерения температуры контроллера ТЕС зависит как от датчика температуры, так и от конфигурации оборудования. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему техническому описанию для получения подробной информации.

Подключение датчика температуры

См. Страницу примечаний к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить датчик температуры.

9. Требования к источникам питания

Блок питания является источником питания для контроллера ТЕС.

В зависимости от выбранного контроллера ТЕС необходимо выбрать источник питания. Убедитесь, что источник питания может обеспечить питание, необходимое для управления контроллером ТЕС с элементом Пельтье. (Как правило, вы можете добавить 10% резерва. Умножьте необходимую выходную мощность ТЕС на 1,1). Информацию о соотношении входного и выходного напряжения см. В таблице данных контроллера.

Рекомендации по источникам питания

10. Проверьте свою настройку

Теперь, когда вы выбрали системные компоненты, вы настраиваете приложение и начинаете тестирование и оптимизацию. Чтобы упростить сборку и первоначальную настройку с использованием нашего сервисного программного обеспечения, пожалуйста, обратитесь к нашему пошаговому руководству по настройке контроллера TEC.
Комплексное сервисное программное обеспечение можно загрузить и использовать бесплатно.

11. Узлы термоэлектрического охлаждения

Существуют также универсальные предварительно собранные термоэлектрические охлаждающие узлы, если вы не хотите строить систему с нуля.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.