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 :-)

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

тогда уже психологов...

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".

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?

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...

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

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.

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

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?

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

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

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.

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

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.

Еще меньше?

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


Ой, ктой то? А что это такое?


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.

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.

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)

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.

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

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

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.


Спасибо. Здорово, однако

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

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

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)

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.

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

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.

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

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.

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.

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