Особенности использования пельтье, на низких температурах Опции

[Electrician]

Добрый день!
И снова про элементы Пельтье.

Задача: охлаждать объём до температуры -70°C. С "горячей" стороны тепло будет сниматься хладагентом -40°С.
Знакомые химики утверждают, что эффективность термоэлектрического элемента в этих условиях будет заметно ниже. Программа от Криотерма ничего катастрофического не предсказывает.
Что говорит ваш опыт? Или ваши знакомые химики :-)

[Tanya]

Знакомые химики утверждают, что эффективность термоэлектрического элемента в этих условиях будет заметно ниже.
Что говорит ваш опыт? Или ваши знакомые химики :-)

Мой опыт говорит мне, что можно еще спросить у биологов... филологов...

[garlands]

тогда уже психологов...

[khach]

Трехкаскадный пельтье (этажерка) дает -120 при водяном охлаждении горячей стороны. Эффективность конечно падает, но не катастрофически. Обратите внимание на механические напряжения- лучше собрать из кучи мелких, чем применить один большой по площади- иногда рвало термическими напряжениями.
Вот на температурах жидкого азота уже проблемы- примеси в полупроводнике "вымерзают".

[EUrry]

Раз уж о Пельтье разговор зашел, то тоже вопросик крутящийся в голове - при воздушном охлаждении (максимум с использованием вентилятора) горячей стороны, какую температуру реально можно получить на холодной? Для одно-, двух- и т. д. каскадных элементов. Интересует именно практический опыт. И еще - как обстоят дела с конденсатом на холодной стороне?

[ZodiaC]

Может кто - нибудь просветить об использовании элементов Пельтье?
Меня интересует: возможно-ли их применение в малогабаритном блоке,
с ограниченной мощностью потребления?
Читал про них - но давно, может изменилось что...

[EUrry]

возможно-ли их применение в малогабаритном блоке,
с ограниченной мощностью потребления?

Что значит ограниченной? Количественно. Кушают они неплохо, хоть сейчас, хоть тогда, когда Вы о них читали.

[khach]

Раз уж о Пельтье разговор зашел, то тоже вопросик крутящийся в голове - при воздушном охлаждении (максимум с использованием вентилятора) горячей стороны, какую температуру реально можно получить на холодной? Для одно-, двух- и т. д. каскадных элементов. Интересует именно практический опыт. И еще - как обстоят дела с конденсатом на холодной стороне?

Без воды, на воздухе- мутно очень. Чтобы больше снять тепла с горячего спая на воздух, приходится сильно его перегревать. Т.е первый каскад работает только как тепловой насос- температура горячего спая (и радиатора)-градусов 50, холодного- 20 (та же комната). Это для трехкаскадных. Для двухкаскадных (второй каскад- в вакууме) без нагрузки по теплу - -20С у холодного ( с термостабилизацией), устойчивая работа при температуре воздуха до +35С, потом- глюки. Еще требование было- между первым и вторым каскадом не должна пересекаться точка росы (конденсация влаги). Поэтому холодный спай первого каскада стабилизировали на +7 градусов, остальное (до -20) набирали вторым каскадом. Это все достаточно просто при раздельном питании каскадов. При общем охлаждающем токе возможны разные чудеса, вплоть до осцилляций температуры.

[EUrry]

Спасибо khach! В общем то, как и думал, то, что я хотел попробовать будет проблематично без различных ухищрений и усложнений.

[dinam]

Может кто - нибудь просветить об использовании элементов Пельтье?
Меня интересует: возможно-ли их применение в малогабаритном блоке,
с ограниченной мощностью потребления?
Читал про них - но давно, может изменилось что...

Ну я сейчас как раз отлаживаю термостабилизатор лазерного диода с оптической мощностью 150мВт с охлаждением на элементе Пельтье. Всё это хозяйство питается от USB. Вроде хватает.

[KARLSON]

Ну я сейчас как раз отлаживаю термостабилизатор лазерного диода с оптической мощностью 150мВт с охлаждением на элементе Пельтье. Всё это хозяйство питается от USB. Вроде хватает.

Он же вроде как амперы потребляет? Тогда как от USB?

[Electrician]

khach, спасибо. Опасения были как раз за свойства полупроводника.

[dinam]

Он же вроде как амперы потребляет? Тогда как от USB?

Ну это если его полностью "раскочегарить". А я только чуток

[ZodiaC]

Есть только 50 Вт, чтоб сначала нагреть блок при минусовой Тос, а затем охлаждать.
С помощью Пельтье на данный моменент это возможно?

[khach]

Есть только 50 Вт, чтоб сначала нагреть блок при минусовой Тос, а затем охлаждать.
С помощью Пельтье на данный моменент это возможно?

Теоретически возможно-как тепловой насос оно работает в обе стороны. Делайте мостовой драйвер пельтье- с реверсом полярности. Можно мост от драйверов моторов DC приспособить. Только если планируете импульсное питание- поставьте последовательно с пельтье дроссели. Вопрос про эффективность работы пельтье при импульсном питании или ШИМ- до конца неизучен, но для спокойствия лучше сгладить импульсы тока дросселями.

[Tanya]

Только если планируете импульсное питание- поставьте последовательно с пельтье дроссели. Вопрос про эффективность работы пельтье при импульсном питании или ШИМ- до конца неизучен, но для спокойствия лучше сгладить импульсы тока дросселями.

Кажется, что паразитное тепловыделение пропорционально интегралу от квадрата тока, а теплоперенос - интегралу от тока.
Поэтому, сглаживание очень полезно. Во всех аспектах.

[AlexeyW]

Я как-то удивился затейливой форме кривых теплопереноса и разности температур от тока в описании элементов. Когда прикинул, как именно он работает, получилось квадратное уравнение с тремя членами, описывающее кривые именно такого вида
Простая модель элемента Пельтье примерно такая - это сумма трех тепловых процессов:
- поглощение Q1 на холодной и выделение того же Q1 на горячей стороне, Q = AI
- теплопроводность, поток Q2 = B(Tг-Tх)
- тепловыделение от прохождения тока, Q3 = CI^2, выделяется поровну в обе стороны
Если все это сложить с правильными знаками, получится уравнение, описывающее элемент.

Второй и третий члены принципиально связаны друг с другом - отношение теплопроводности к электропроводности очень мало различается для широкого класса проводников и полупроводников.

Есть два частных случая - откачка макс. потока при нулевой разности температур, и достижение макс. разности при нулевом потоке. Для второй задачи более адекватен толстый элемент (реально - многоступенчатый), но разность в идеале пропорциональна корню из количества элементов, а реально - еще куча проблем. Для первой задачи адекватнее как можно более тонкий элемент, но я не знаю, выпускают ли элементы с различной оптимизацией - кажется. у них всех параметры очень близки.

Сообщение отредактировал AlexeyW - Dec 15 2010, 18:42

[SNGNL]

Меня интересует: возможно-ли их применение в малогабаритном блоке,
с ограниченной мощностью потребления?

Еще меньше?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[AlexeyW]

Конечно, возможно. В принципе
А в частности - считать надо, очень зависит от задачи. Что нужно делать?

Еще меньше?

Ой, ктой то? А что это такое?

Трехкаскадный пельтье (этажерка) дает -120 при водяном охлаждении горячей стороны. Эффективность конечно падает, но не катастрофически.

Один элемент стандартно дает разность в 70 градусов.
(120/70)^2=2,94, т.е. почти ровно три элемента - значит, эффективность не упала вообще Не говоря уж о том, что температура охлаждающей воды, возможно, не ноль, да и какое-то термосопротивление есть все же.
Т.е., если отвечать на первый вопрос топика - никаких проблем быть не должно.

Сообщение отредактировал AlexeyW - Dec 16 2010, 09:53

[khach]

Один элемент стандартно дает разность в 70 градусов.

Не стандартно, а максимально, т.е вообще без тепловой нагрузки, сам на себя. Но ведь остальные элементы "этажерки" будут нагружены теплом от верхних каскадов. Хорош, если градусов 40 на каскад будет, а то и хуже.
А от USB- , да, можно питать, мелкие пельте с габаритной мощностью 0.5Вт. Только режим выхода на точку удержания надо рассчитать и сделать управляемым- а то оно может слишком много тока сожрать и от ноутбуков работать не будет. Фотодиод например термостабилизировать можно свободно- были такие со встроенными прямо в корпус холодильниками- корпус откачан на вакуум и нет возни с термоизоляцией. Но вообще то для надежного охлаждения USB маловато будет- желательно ватт 10 иметь в запасе.

[AlexeyW]

Не стандартно, а максимально, т.е вообще без тепловой нагрузки, сам на себя. Хорош, если градусов 40 на каскад будет, а то и хуже.

Это очевидно. Про "стандартно" я имел в виду, что теоретически элемент может быть оптимизирован либо на бОльший поток тепла, либо на бОльшую разность температур. Реально же их стандартно делают на разность около 70 градусов. Если сделать элемент в К раз толще, он даст разность в корень из К больше. То же относится к количеству этажей - нужно умножить на корень из числа этажей (а не 40 градусов на этаж)

А от USB- , да, можно питать, мелкие пельте с габаритной мощностью 0.5Вт. Только режим выхода на точку удержания надо рассчитать и сделать управляемым- а то оно может слишком много тока сожрать и от ноутбуков работать не будет. Фотодиод например термостабилизировать можно свободно- были такие со встроенными прямо в корпус холодильниками- корпус откачан на вакуум и нет возни с термоизоляцией. Но вообще то для надежного охлаждения USB маловато будет- желательно ватт 10 иметь в запасе.

Опять же - вопрос, что именно нужно. Чем меньше ток, тем меньше выделяется тепла в самом элементе. Если в охлаждаемом пространстве тепловыделение мало, а нужна разность температур - тут эффективна этажерка. С фотодиодами такими я сталкивался.
Насчет выхода на режим - а разве элемент Пельтье при выходе будет потреблять много больше, чем в режиме? У него есть конкретное сопротивление, термозависимое, но не до такой же степени (хотя, утверждать не буду). Но не стоит забывать, что термокоэффициент нужно еще делить пополам или больше - вель одна сторона остается при комнатной, а может, еще и греется.

[НЕХ]

Пельтье ещё и источник термоЭДС.
Наверно, правильнее питать от источника тока, а не напряжения.

[SNGNL]

Ой, ктой то? А что это такое?

Внизу монета достоинством в один цент. На ней твердотельный лазер с диодной накачкой и термостабилизацией на элементах Пельтье(все внутри).

[AlexeyW]

Пельтье ещё и источник термоЭДС.
Наверно, правильнее питать от источника тока, а не напряжения.

Ага, верно. Но она, кажется, невелика?
Но что от источника тока - это в любом случае, иначе из-за многих существенных факторов можно получить разброс раза в полтора. Тем более что основной эффект пропорционален именно току.

Внизу монета достоинством в один цент. На ней твердотельный лазер с диодной накачкой и термостабилизацией на элементах Пельтье(все внутри).

Спасибо. Здорово, однако

[khach]

Вот тут на картинки посмотрите http://www.rmtltd.ru/sm_to46.htm и другие типы корпусов. Там же термостолбики рядом.

Прикрепленные изображения

 

[НЕХ]

термоЭДС - полвольта - обычное дело.
Сам иногда холожу фотоприёмники - в своё время разработал удобный драйвер холодильника.
Драйвер светодиода в корпусе SOT23-6 на 1 ампер отлично справляется с задачей.
А входной усилитель и ПИД-регулятор в одном флаконе удается на INA330 - достаточно изменить схему выходного каскада (вместо резистора - RC цепочки ). Вся схема - кубический сантиметр.

[AlexeyW]

термоЭДС - полвольта - обычное дело.
Сам иногда холожу фотоприёмники - в своё время разработал удобный драйвер холодильника.
Драйвер светодиода в корпусе SOT23-6 на 1 ампер отлично справляется с задачей.
А входной усилитель и ПИД-регулятор в одном флаконе удается на INA330 - достаточно изменить схему выходного каскада (вместо резистора - RC цепочки ). Вся схема - кубический сантиметр.

Ага, именно. Тоже приходилось делать, только я делал ПИ-регулятор, несколько проще
Полвольта - вообще, немало, там всего чуть больше вольта. Я вообще-то глупость сказал, что оно мало - ведь именно термо-ЭДС тут обуславливает эффект переноса тепла

[НЕХ]

ПИ от ПИД отличается отсутствием конденсатора.
Зато с ПИД переходный процесс в 5 раз короче.
Сначала предполагал измерять термоэдс для мониторинга - но потом не нашёл большой пользы в этом.
(хотел контролировать перегрев горячей стороны)

[khach]

Если воздухом охлаждаете- обязательно отдельный терморезистор на горячую сторону ставить. Случаи- разные бывают. Вентилятор заклинил, или температура наружного воздуха под 40- тупая схема управления пельтье без защит доводила до расплавления элемента (125 гр и выше)- ну не справляется он, а ему больше тока и больше пихают.

[НЕХ]

измеряю температуру снаружи DS18S20, контролирую ток и время его действия.

[rezident]

Если воздухом охлаждаете- обязательно отдельный терморезистор на горячую сторону ставить.

Только не терморезистор, а термостат на биметалле. К терморезистору ведь нужна измерительно/управляюще/коммутирующая схема, где каждый компонент снижает общую надежность схемы контроля. А термостат все это в себе уже включает - чувствительную к температуре биметаллическую пластину, которая обеспечивает разрыв цепи при срабатывании.

[Oldring]

Вот на температурах жидкого азота уже проблемы- примеси в полупроводнике "вымерзают".

И может быть даже коэффициент Пельтье в температурном диапазоне 200-300К остаётся постоянным? Не верю. У вас, кстати, нет таблиц для используемых Криотермом полупроводников?

[AlexeyW]

ПИ от ПИД отличается отсутствием конденсатора.
Зато с ПИД переходный процесс в 5 раз короче.

А Вы измеряли температуру целевой точки, или термодатчик был удален от нее? В нашем случае просто термодатчик стоял в некотором отдалении, и в любом случае физически было невозможно существенно ускорить процесс.

[SNGNL]

Если воздухом охлаждаете- обязательно отдельный терморезистор на горячую сторону ставить. Случаи- разные бывают. Вентилятор заклинил, или температура наружного воздуха под 40- тупая схема управления пельтье без защит доводила до расплавления элемента (125 гр и выше)- ну не справляется он, а ему больше тока и больше пихают.

Никогда бы не подумал. Охлаждалось воздухом без отдельных датчиков на горячей стороне.
Только, использовались специализированные контроллеры. Датчик температуры объекта термостабилизации, установки ПИД и уровня ограничения тока. Никогда не превышал предельный ток (указан в паспорте на элемент Пельтье). Пожалуй, всё.

[НЕХ]

Использовал корпус с холодильником от RMT. Термодатчик в правильном месте.
Контролировать горячую сторону, чтобы избежать печальных сюрпризов.