Können Peltier-Geräte kaskadiert werden?

Können Peltier-Geräte kaskadiert werden, um einen größeren Temperaturunterschied zu erzeugen? Als würde man einen auf einen anderen montieren, um den maximalen Unterschied von 60 ° C auf 120 ° C zu erhöhen.

Ja, und das wird regelmäßig gemacht. Es gibt jedoch Grenzen für das, was Sie erreichen können, basierend sowohl auf den Grenzen der einzelnen Geräte (minimale und maximale Temperatur) als auch auf Effekten wie dem gesamten Wärmewiderstand durch den Stapel. Irgendwann kommt man zu dem Punkt, an dem der "umgekehrte Wärmeverlust" durch den Stapel (der mit der End-to-End-Temperaturdifferenz ansteigt) gleich der Fähigkeit des Stapels ist, Wärme abzuführen.

Ein weiteres Problem ist die relative Ineffizienz von Peltier-Geräten. Typischerweise liegt der Wärmestrom, der von der heißen Seite jedes Geräts ausgeht, in der Größenordnung des 3- bis 5-fachen der Wärme, die in die kalte Seite gelangt. Beim Stapeln von Geräten muss jedes so viel größer sein als das vorherige, was zu Problemen mit der Größe führt (was auch auf das Problem des Wärmeverlusts zurückzuführen ist).

Sicher, aber aufgrund der miserablen Effizienz ist es typisch, die Stufen in zunehmender Größe zu stapeln, ähnlich wie Raketenstufen, so dass sich die dicksten mit dem Wärmestrom aller anderen befassen.

Foto von hier .

Sie können definitiv kaskadiert werden, aber das Problem ist, dass eine warme Stufe viel mehr Wärmeübertragungskapazität als eine kalte haben könnte.

AFAIKs effektivste Thermoelektrika haben einen Übertragungsfaktor von ~ 100%, dh sie verbrauchen Energie und erzeugen Wärme von 1 W pro 1 W, die von der kalten Seite übertragen wird (Kühlschränke auf Kompressorbasis haben ungefähr 300%, sie übertragen 3 W Wärme pro 1 W Leistung).

Angenommen, Sie müssen etwa 1 W Wärme von Ihrem Gerät übertragen. Dann könnte die kälteste Stufe an ihrem heißen Ende 2 W Wärme erzeugen, und die gesamte Wärme sollte bis zur nächsten Stufe übertragen werden. In der nächsten Stufe werden 4 W Wärme erzeugt. Dann 8 W und so weiter.

Kaskadierte Peltiere sollten so aussehen:

Ja. Sie können mehrere einstufige Peltiere stufenweise ausführen, wenn die elektrischen und thermischen Flüsse berücksichtigt werden. Sie werden feststellen, dass bei mehrstufigen Geräten die physischen Bereiche in den kälteren Stadien normalerweise abnehmen. Dies liegt daran, dass in jeder nachfolgenden Stufe eine abnehmende Menge an "Abkühlung" verfügbar ist, da die heißeren Stufen vor ihnen sowohl die Wärmeenergie aus den kälteren Stufen als auch die elektrischen Widerstandsverluste aus den kälteren Stufen pumpen müssen.

Aufgrund des geringen Wirkungsgrades von Peltier-Kühlern bezüglich des elektrischen Eingangs muss eine Kaltstufe bei einer wesentlich niedrigeren elektrischen Eingabe betrieben werden als die heißere Stufe, die sie kühlt. Es ist einfach, die heißere Stufe mit Wärmeenergie aus dem Gleichstromeingang der kälteren Stufe zu überfluten und überhaupt keine Nettokühlung zu erhalten.

Das direkte Stapeln von Peltier-Modulen ist in der Praxis problematisch. Die erforderliche Wärmeableitung ist erheblich. Sie können sich ein serielles Peltier-Array (gestapelt) in einem System als eine Maschine vorstellen, die gestartet werden muss.

Wenn der Kühlkörper zu stark abfällt, dauert es ewig, bis mit dem Heizen / Kühlen begonnen wird. Dies kann auf einfache Weise ausgeglichen werden, indem ein Lüfter mit Kühlkörper verwendet wird und der Lüfter beim Start niedrig gedrosselt wird.

Obwohl ich den Vorteil des Heizens auf Peltier-Basis nicht verstehe, anders als bei einem System, das für dieselbe Aufgabe zwischen Heizen und Kühlen umschaltet.

Widerstandselemente sind haltbarer und leichter zu steuern als Peltiers zum Heizen, da sie viele Male hart gefahren werden können.

Das Design, das ich für mehrere gestapelte Peltier-Module verwendet habe, war ein 12706 zwischen einem Kühlkörper / Lüfter an der Ausgangsseite und einem fertigen Kupferstab, der doppelt so breit ist wie der 12706 an der Entladung.

Auf der anderen Seite des Kupferstabs befanden sich (2) 12706s parallel, mechanisch und ein schwerer Aluminiumkühlkörper / -lüfter auf der Endauslassseite.

Die einzelnen Peltier (TEC) -Elemente wurden parallel verdrahtet. Ich fuhr das Parallel-Array von 12706s mit maximal 15ADC, 12VDC, RTD-diszipliniertem, linearem Netzteil und konstanter Spannung.

Lineare Netzteile sind an und für sich ineffizient. FTE-diszipliniertes SMPS (> 90% Wirkungsgrad) ist daher eine effizientere Option.

Dieses System diente zum Kühlen (erreicht -12C bei Raumtemperatur), aber wenn Sie es umkehren, funktioniert es zum Heizen. Peltier-Elemente dürfen nicht über die Temperatur des zu ihrer Herstellung verwendeten Lots erhitzt werden. Nachlässiges oder unerfahrenes Experimentieren kann dies leicht bewirken.

Sie möchten lediglich (2) sicherstellen, dass Sie nicht zu viel Wärme von der heißen Seite ableiten, da der Wärmeübergang vom Temperaturunterschied der beiden Seiten abhängt. Diese Eigenschaft von TEC-Modulen unterliegt besonderen Einschränkungen.

Wenn die heiße Seite nicht heiß genug ist, überträgt das System keine Wärme und die Leistungsaufnahme ist gering. Und auch, dass der Wärmeübergang nicht parasitär wird und die kalte Seite ausläuft, sodass das gesamte Array nur eine Heizung ist. Dadurch kann das Lot im TEC (Peltier) -Modul schmelzen.

Ich fand, dass die nützlichste Spezifikation für ein TEC-Modul der optimale Nenntemperaturbereich auf der heißen und der kalten Seite ist. Alles andere als die elektrische Eingabe kann experimentell abgeleitet werden. Wenn Sie jedoch versuchen, das angegebene DeltaT mit einer falschen hohen und niedrigen Temperatur zu erhalten, wird möglicherweise nicht die volle Wärmeübertragungskapazität des Moduls erreicht.

Ein großer Vorteil von hochwertigen TEC-Modulen besteht darin, dass sie mit einer niedrigeren Nenntemperaturdifferenz arbeiten. 66C Delta kann 44C-100C oder 0C-66C sein.

Nicht alle TEC-Module mit deltaT> = 66C funktionieren bei delta 0C-66C oder niedriger. Sie können die größte Wärmeübertragung bei delta 44C-100C ergeben. Je kühler die kalte Seite ist, desto wünschenswerter ist das System normalerweise.

Zwischen den TEC-Modulen und der Schnittstelle, an die sie angeschlossen sind, muss außerdem eine Thermotransfer-Schnittstellenverbindung aufgebracht werden. Kein TEC-Modul ist direkt mit der Atmosphäre verbunden. Auf beiden Seiten der Peltier-Module befindet sich immer etwas.

Ich konnte keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielen, wenn ich eine 12712 direkt auf die heiße Seite einer 12706 stapelte.

Um 2009 herum habe ich einen solchen Kryokühler mit einem 3-stufigen Peltier-Stapel und dem größten verkauften luftgekühlten PC-Videokartenkühler mit 7 Heatpipes hergestellt (Sie können nach ROFLEX-Jodinstrumenten suchen).

Später wollte der Kunde mehr Exemplare bauen, die um mich herum gingen, und fragte die Fabrik von Peltier-Platten, welchen Luftkühler er verwenden sollte. Die Antwort, auf die ich stolz war zu hören, war - mit unseren Blutplättchen ist es absolut unmöglich, irgendetwas mit irgendeinem Typ des Luftkühlers abzukühlen. Das Problem bei Peltier ist nicht der Wärmefluss als solcher, sondern die Wärmeflussintensität über der Kontaktstelle des Kühlers in Quadratzentimetern. Plättchen haben eine eher geringe Größe, etwa 4x4 oder 2x2 cm, daher ist der 100W-Wärmestrom mehr als viel.

Tatsächlich ergaben 3-Kaskaden-Thrombozyten in meinem Fall einen Unterschied von 116 ° C zwischen den Endplatten, was nahe an der theoretischen Grenze liegt, so dass ich bei tropischem Klima stabile minus 45 ° C produzieren konnte.

Dieses Jahr muss ich noch mehr bekommen, die -100C für 1 cm3 durch nicht wassergekühlten Kühler, wenn + 50C Luft drauf sein würden. Ich bin mir eine Weile nicht sicher, ob das überhaupt möglich ist.

Ich schreibe dies, um sicherzustellen, dass -45 C wirklich möglich ist, aber nicht viel tiefer. Die Theorie besagt, dass 4. Thrombozyten über drei den Prozess schädigen, anstatt ihn zu steigern.

Ja, winzige Geräte werden tatsächlich für diesen Zweck verkauft. Sie können sogar fertige Stapel mit den entsprechenden Materialien auf jeder Stufe kaufen, so dass das Problem der Wärmesättigung gemindert wird (wenn ich mich erinnere, dass oben ein Verfahren mit höherer Effizienz angewendet wird, indem Sb durch BiTe ersetzt wird). Ich habe vor, a Probe von SH21Pd97? Prüfen Sie, ob der Widerstand plötzlich abfällt, und wiederholen Sie das gleiche Experiment mit Bi-2223 als Kontrolle mit ein paar Optimierungen später, die den Tc-Wert um bis zu 20% steigern könnten . Möglicherweise sogar Laserverbesserung durch abgestimmten IR-Laser.