Можно ли каскадировать устройства Пельтье?

Можно ли каскадировать устройства Пельтье для создания большей разницы температур? Подобно установке на вершине пыльника, чтобы увеличить максимальную разницу с 60 градусов C до 120 градусов.

Да, и это регулярно делается. Тем не менее, существуют пределы того, чего вы можете достичь, исходя как из ограничений отдельных устройств (минимальная и максимальная температура), так и из-за таких эффектов, как общее тепловое сопротивление через стек. В конце концов вы попадаете в точку, в которой «обратная утечка» тепла через батарею (которая возрастает с разницей между сквозными температурами) равна способности батареи отводить тепло.

Другая проблема - относительная неэффективность устройств Пельтье. Обычно тепловой поток, выходящий с горячей стороны каждого устройства, в 3–5 раз больше тепла, идущего на холодную сторону. Когда вы устанавливаете устройства друг на друга, каждое из них должно быть намного больше, чем предыдущее, что приводит к проблемам с огромным размером (что также возвращает к проблеме утечки тепла).

Конечно, однако из-за убогой эффективности типично складывать увеличивающиеся размеры, вроде ступеней ракеты, поэтому самый толстый имеет дело с тепловым потоком от всех остальных.

Фото отсюда .

Они определенно могут быть каскадными, но проблема в том, что теплая ступень может иметь гораздо большую теплоотдачу, чем холодная.

AFAIK наиболее эффективные термоэлектрики имеют коэффициент передачи ~ 100%, то есть они потребляют энергию и вырабатывают тепло 1 Вт на 1 Вт, передаваемое с холодной стороны (холодильники на основе компрессора имеют около 300%, они передают 3 Вт тепла на 1 Вт мощности).

Скажем, вам нужно передать около 1 Вт тепла от вашего устройства. Тогда самая холодная ступень может производить 2 Вт тепла на своем горячем конце, и все ее тепло должно передаваться следующей ступенью. Следующая стадия будет производить 4 Вт тепла. Потом 8 Вт и тд.

Каскадные Пельтье должны выглядеть так:

Да. Вы можете поставить несколько одноступенчатых Пельтье, если должным образом учитывать электрические и тепловые потоки. Вы увидите, что многоступенчатые устройства обычно имеют уменьшающиеся физические площади для более холодных стадий. Это потому, что у вас есть уменьшающееся количество «холодного воздуха», доступного на каждом последующем этапе, поскольку более горячие этапы перед тем, как они должны откачивать как тепловую энергию от более холодных этапов, так и потери электрического сопротивления от более холодных этапов.

Из-за низкого КПД охладителей Пельтье по электрическому входу холодная ступень должна работать при значительно меньшем электрическом входе, чем горячая ступень, которая ее охлаждает. Горячую ступень легко забить тепловой энергией от входа постоянного тока от более холодной ступени и вообще не охлаждать ее.

Непосредственно сложение модулей Пельтье на практике проблематично. Требуемый теплоотвод является существенным. Вы можете думать о последовательном массиве Пельтье (в стеке) внутри системы как о машине, которую необходимо «запустить».

Если тепловыделение слишком велико, нагрев / охлаждение начинается вечно. Это легко компенсируется использованием вентилятора с теплоотводом, а затем включением вентилятора при запуске.

Хотя я не понимаю преимущества нагрева на основе Пельтье, кроме системы, которая переключается между нагревом и охлаждением для одной и той же задачи.

Резистивные элементы являются более долговечными и легко контролируемыми, чем Пельтье, для нагрева, потому что их можно многократно повторять.

Конструкция, которую я использовал для нескольких сложенных модулей Пельтье, была одна 12706 между радиатором / вентилятором на выходной стороне и готовой медной полосой, в два раза большей ширины 12706 на выходе.

На другой стороне медного стержня были (2) 12706 параллельно, механически, и тяжелый алюминиевый радиатор / вентилятор на стороне последнего разряда.

Отдельные элементы Пельтье (ТЕС) были соединены параллельно. Я вел параллельный массив 12706 с максимальным 15 АЦП, 12 В постоянного тока, RTD-дисциплинированный, линейный блок питания, постоянное напряжение.

Линейные блоки питания неэффективны сами по себе. Таким образом, SMDS, ориентированный на RTD (эффективность> 90%), является более эффективным вариантом.

Эта система была предназначена для охлаждения (температура -12 ° С при комнатной температуре), но если вы измените ее, она будет работать для отопления. Элементы Пельтье не должны нагреваться выше температуры припоя, используемого для их изготовления. Неосторожные или неопытные эксперименты могут легко привести к этому.

Вы просто хотите обеспечить (2) вещи: чтобы вы не отводили слишком много тепла от горячей стороны, потому что теплопередача зависит от разности температур двух сторон. Это свойство модулей TEC имеет свои особенности.

Если горячая сторона недостаточно горячая, система не будет передавать тепло, и потребление энергии будет низким. А также, что теплопередача не становится паразитной и не заканчивается холодной стороной, поэтому весь массив - это всего лишь нагреватель. Это может расплавить припой в модуле TEC (Пельтье).

Я обнаружил, что наиболее полезная спецификация для модуля ТЕС - это оптимальные номинальные диапазоны температуры на горячей и холодной сторонах. Все остальное, кроме электрического входа, может быть получено экспериментально. Но если вы попытаетесь получить указанное значение deltaT, используя неверные высокие и низкие температуры, вы можете не получить полную теплообменную емкость модуля.

Большим преимуществом, получаемым с качественными модулями TEC, является то, что они работают с номинальным перепадом температур, смещенным ниже. 66C дельта может быть 44C-100C или 0C-66C.

Не все модули TEC с deltaT> = 66C будут работать хорошо при delta 0C-66C или ниже. Они могут дать наибольшую теплопередачу при дельте 44C-100C. Чем холоднее холодная сторона, тем лучше система, как правило.

Также требуется, чтобы между интерфейсными модулями ТЕС и тем, к чему они взаимодействуют, применялся состав для теплопередачи. Никакой модуль ТЕС не взаимодействует напрямую с атмосферой. Всегда есть что-то по обе стороны от модулей Пельтье.

Я был «не в состоянии» получить удовлетворительные результаты, непосредственно укладывая 12712 на горячую сторону 12706.

Примерно в 2009 году я подготовил один такой криоохладитель, используя 3-ступенчатый стек Пельтье и самый продаваемый кулер для видеокарт с воздушным охлаждением с 7 тепловыми трубками (вы можете найти публикацию для йодного прибора ROFLEX).

Позже клиент захотел создать больше копий, идущих вокруг меня, и спросил фабрику пластин Пельтье, какой воздухоохладитель он должен использовать. Ответ, который я с гордостью услышал, был - с нашими тромбоцитами совершенно невозможно что-либо охладить, используя любой тип воздухоохладителя. Просто проблема у Пельтье не в тепловом потоке как таковом, а в интенсивности теплового потока через квадратный сантиметр места контакта радиатора. Тромбоциты имеют довольно маленький размер, около 4x4 или 2x2 см, таким образом, тепловой поток 100 Вт - это более чем много.

На самом деле, 3-каскадные тромбоциты в моем случае давали разницу между 116 C и концевыми пластинами, что близко к теоретической границе, поэтому я получил стабильный минус 45 C в тропическом климате.

В этом году мне нужно получить еще больше, -100C для 1 см3 радиатора без водяного охлаждения, когда целью будет воздух + 50C. Некоторое время я не уверен, возможно ли это вообще.

Я пишу это, чтобы убедиться, что -45 С действительно возможно, но не намного глубже. Теория гласит, что 4-я пластинка над тремя повредит процесс, а не ускорит его.

Да, крошечные устройства на самом деле продаются для этой цели. Вы даже можете купить готовые стеки с соответствующими материалами на каждой стадии, чтобы решить проблему насыщения теплом (если я вспоминаю, что они используют процесс с более высокой эффективностью наверху, подставляя Sb в BiTe), у меня есть планы попробовать и охладить образец SH21Pd97? под давлением до почти криогенных температур и посмотреть, не упадет ли сопротивление внезапно, и повторить тот же эксперимент с Bi-2223 в качестве контроля с несколькими изменениями позже, которые могут повысить Tc до 20%. Возможно даже улучшение лазера через настроенный ИК-лазер.