Введите код подтверждения

TEC / Руководство по проектированию элементов Пельтье

Контроллеры TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые переносят тепло с одной стороны на другую в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этом руководстве по проектированию системы содержится информация о том, как спроектировать простую систему термоэлектрического охлаждения с использованием ТЭО-контроллеров и элементов Пельтье. При разработке термоэлектрического приложения охлаждение является критической частью. Итак, мы возьмем случай охлаждения объекта в качестве примера для руководства по проектированию.

—> Купить контроллер TEC здесь

Содержание

• Исходная информация
• Типовая термоэлектрическая система
• Тепловая схема
• Процесс проектирования
  • 1. Оценка тепловых нагрузок
  • 2. Определение температур
  • 3. Выбор элемента Пельтье
  • 4. Выбор ТЭО-контроллера
  • 5. Радиатор
  • 6. Вентилятор
  • 7. Примеры расчетов
  • 8. Датчики температуры
  • 9. Требования к источнику питания
  • 10. Проверка установки
  • 11. Термоэлектрические охлаждающие сборки

Проектирование полной термоэлектрической системы может оказаться сложной задачей. Однако для более простой системы не стоит теряться в деталях. Это руководство является отправной точкой для оценки конструктивных параметров с некоторыми упрощениями для нового применения термоэлектрического охлаждения.
Шаг за шагом проходим все необходимые этапы проектирования, выделяем важные моменты и наконец просчитываем пример приложения. Рассмотрим систему с однокаскадным элементом Пельтье. Многоступенчатые элементы Пельтье достигают более низких температур, но их конструкция более сложна.

Консультации по сложным тепловым проектам

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

Видео о термоэлектрическом охлаждении

В этом видео объясняются основы термоэлектрического охлаждения. Мы приводим примеры важных шагов проектирования для успешного проектирования термоэлектрического приложения с использованием контроллеров ТЭО и элементов Пельтье.

Исходная информация

Термоэлектрическое охлаждение и нагрев используются для различных применений, даже когда требуется активное охлаждение ниже температуры окружающей среды или требуется высокая точность температуры (стабильность <0,01 °C). Контроллер ТЭО — 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 каких-либо механических изменений.

Существуют температурные ограничения при работе с элементами Пельтье. Они доступны с максимальной рабочей температурой 200 °C, где этот предел определяется температурой оплавления припоя и герметика. Другим ограничением является максимальная температура между горячей и холодной сторонами элемента Пельтье. В общих приложениях разница около 50 К может быть реализована с помощью одного элемента каскада.
При использовании элемента Пельтье в качестве термоэлектрического охладителя существует предел, при котором температура снова будет повышаться при увеличении силы тока. Это происходит из-за рассеивания мощности (I ² R) внутри элемента Пельтье, при потреблении большего тока, чем I _max .

—> Купить контроллер TEC здесь

Типовая термоэлектрическая система

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

• Контроллер TEC
• Пельтье элемент
• Радиатор

Еще одна важная часть, напарник радиатора, не видна напрямую. Это окружающий воздух с его температурой, где тепло рассеивается.
Помимо упомянутых выше частей, в комплексном приложении важны и другие компоненты. Это, например, датчики температуры, программное обеспечение для настройки и мониторинга контроллера TEC, вентилятор и, конечно же, источник питания.

—> Купить контроллер TEC можно здесь

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, напр. температура объектов не зависит от конвекции. (Q — теплоемкость каждой детали.)

Упрощенная схема системы охлаждения

Следующая, еще более упрощенная схема, представляет систему охлаждения и соответствующую температурную диаграмму справа. В данном случае объект охлаждается до -5 °С холодной стороной элемента Пельтье. Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35°С. Радиатор отдает тепло окружающему воздуху, температура которого составляет 25 °C.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма

При проектировании системы термоэлектрического охлаждения необходимо выполнить следующие шаги:

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

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

1. Оценка тепловых нагрузок

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

• Рассеиваемая мощность
• Радиация
• Конвективная
• Кондуктивная
• Динамическая (dQ/dT)

Эти нагрузки суммированы в тепловой нагрузке Q _C , который передается с холодной стороны на горячую, где находится радиатор.

2. Определение температуры

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

• T _O температура объекта (температура холодной стороны) [°C]
• T _HS температура радиатора (температура горячей стороны) [°C] = T _ammb + ΔT _HS 90 094 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 — T _O

3. Выбор элемента Пельтье / модуля ТЕМ

Элемент Пельтье создает температуру разница между его обеими сторонами из-за текущий поток. Этот раздел основан на исходной информации со следующих страниц:

• Элементы Пельтье
• Эффективность элемента Пельтье

Одним из важных критериев при выборе элемента Пельтье является коэффициент полезного действия элемент. COP определяется как теплота, поглощаемая на холодной стороне, деленная на входную мощность элемента Пельтье: COP = Q _C / P _el
Результатом максимального КПД является минимальная входная мощность по шкале Пельтье, поэтому радиатор рассеивает минимальное количество тепла. (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 для Q _max , что позволяет нам выбрать элемент Пельтье.

Добавим расчетный запас по

• выбрав элемент Пельтье с большей, чем требуется, мощностью теплового насоса,
• путем разработки системы с рабочим током значительно ниже I _max элемента Пельтье,
• или в качестве третьего варианта путем увеличения размера радиатора или добавления к нему вентилятора для поддержания низкой температуры горячей стороны.

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

Список дистрибьюторов см. на странице Элементы Пельтье.

4. Выбор контроллера ТЕС

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

• Meerstetter Engineering Продукты контроллера TEC
  
• Руководство по настройке контроллера TEC  – пошаговое руководство, помогающее настроить контроллер 90 004
• Примечания к контроллеру TEC  – информация о подключении аксессуары к контроллеру ТЕС
• TEC Family Руководство пользователя (PDF)  – подробная информация о функциональных возможностях контроллеров TEC

Мы выбираем рабочий ток для достижения оптимального КПД. Основываясь на этом токе, мы выбираем контроллер TEC, а не на основе I _max .

Обзор наших устройств см. на странице продукта контроллера TEC.

5. Радиатор

Радиатор поглощает тепловую нагрузку на горячей стороне элемента Пельтье и рассеивает ее в окружающий воздух.

Необходимо сделать запас при расчете радиатора, чтобы избежать слишком высокой температуры. Следующая диаграмма показывает, что тепло Q _ч , отбрасываемое элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q _max . Это связано с внутренним выделением тепла в элементе Пельтье во время откачки тепла. Следовательно, общее количество тепла, которое должно быть рассеяно на радиаторе, состоит из тепла объекта и тепла, произведенного внутри элемента Пельтье.

На приведенном ниже графике показана зависимость между теплом, отводимым элементом Пельтье, и током для различных значений dT. Используйте графики, предоставленные производителем элемента Пельтье, для оценки тепла, рассеиваемого радиатором.

Поскольку радиатор должен вписываться в систему по форме и размерам, эффективность контроллера TEC также играет решающую роль, так как размер радиатора связан с ним. В зависимости от ваших требований, решением может стать изготовленный на заказ радиатор или тепловая трубка.

Термическое сопротивление рассчитывается по: r _THHS = ΔT _HS /Q _H [K/W]
ΔT _HS = Разница между температурой между тепловым раковином и температурой атмосфера [K] _ч = Общая тепловая нагрузка (объект + потери на элементе Пельтье) [Вт]

Для оценки ΔT _HS учитывайте максимально возможную температуру окружающей среды, чтобы ваш расчет был справедлив в этом случае.

Зависимость отведенного тепла от dT

На следующем графике показано отношение между Q _h и Q _C для разных значений dT. Отношение возрастает экспоненциально при каждом увеличении dT. Это означает, что при больших dT большое количество тепла рассеивается радиатором при сравнительно небольшом количестве тепла, поглощаемом на холодной стороне элемента Пельтье.

Мы также можем использовать этот график для оценки результирующего теплоотвода на основе количества переданного тепла Q _C даже до выбора элемента Пельтье.

Для расчета теплового сопротивления мы принимаем реалистичное значение dT _HS . Так как мы еще не знаем реального Q _h , мы оцениваем его по приведенному выше графику.

Найти отношение Q _h /Q _C при данных токе и dT.

Выберите желаемую разницу температур радиатора и температуры окружающего воздуха ΔT _HS .

Теперь мы можем заменить в приведенной выше формуле для R _thHS Q _h на наше отношение Q _ч /Q _С .

R _thHS  = ΔT _HS  / (отношение*Q _C )

Конечно, размеры сохраняются только в том случае, если позже мы будем работать с элементом Пельтье в выбранной рабочей точке (т. е. при выбранном токе).

Выбором теплового сопротивления радиатора можно влиять на dT = T _амб + ΔT _HS — T _O .
(ΔT _HS = Q _h /R _thHS )

Дистрибьюторы / производители

• Digikey
• Радиаторы Fischer Elektronik

6.

Вентилятор охлаждения радиатора снижает тепловое сопротивление радиатора окружающему воздуху.

Таким образом, вентилятор увеличивает тепловые характеристики. Это уменьшает разницу температур dT или позволяет использовать радиаторы меньшего размера.

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

• Входной управляющий сигнал PWM для управления скоростью вентилятора. TEC генерирует ШИМ-сигнал частотой 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, как и напряжение питания контроллера ТЭО.

Рекомендации по вентиляторам

Для получения подробной информации о рекомендуемых параметрах вентилятора и оптимальных настройках обратитесь к главе 6.3 Руководства пользователя семейства TEC (PDF).

Подключение вентилятора к контроллеру TEC

См. страницу «Примечания к контроллеру TEC», чтобы узнать, как подключить вентилятор.

7. Пример расчетов

В качестве примера мы рассчитали расчетные параметры термоэлектрической системы охлаждения.

Имеются два тепловых параметра , которые необходимы для выбора элемента Пельтье.

• Максимальная холодопроизводительность Q _макс.
• Разность температур dT

Оценка тепловой нагрузки и определение температуры

Предположим, что объект с тепловой нагрузкой Q _C = 10 Вт охлаждается 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 некорректно рассчитывать dT как разницу между температурой окружающего воздуха и температурой желаемого объекта.

Выбор модуля Пельтье/ТЭО

Наша цель – найти Q _max , который достаточно велик, чтобы покрыть необходимый Q _C и обеспечивает наилучший COP.

На графике производительности по сравнению с током мы обнаруживаем 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 по сравнению с током значение Q _C /Q _max = 0,25 для данной разности температур dT = 30 K и относительного тока 0,45.

Теперь мы можем вычислить Q _max для элемента Пельтье. Q _max = Q _C  / 0,25 = 10 Вт / 0,25 = 40 Вт

На графике производительности по сравнению с текущим графиком мы находим COP = 0. 6 для нашего ранее прочитанного I/I _{максимум} . Это позволяет вычислить P _el = Q _C / COP = 10 Вт / 0,6 = 16,7 Вт .

Производители элементов Пельтье предлагают широкий ассортимент элементов. В их продуктовой линейке мы ищем элемент с Q _max мощностью 40 Вт. Поскольку у нас есть разница температур dT = 30 K, достаточно одноступенчатого элемента Пельтье.

В качестве примера выберем 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
В 9009 5 = Р _или / I = 16,7 Вт / 2,25 А = 7,42 В

Выбор ТЭО-контроллера

На основании расчетных значений выбираем ТЭО-контроллер ТЭО-1091 с выходным током 4 А и выходным напряжением 21 В. Хорошо добавить некоторый расчетный запас, выбрав контроллер ТЭО с более высоким, чем требуется, выходным током. Позже, когда производительность системы станет известна, может оказаться достаточным другой контроллер с меньшей производительностью.

Радиатор

Чтобы найти радиатор для элемента Пельтье, нам нужно знать требуемое тепловое сопротивление радиатора. На графике отклоненного тепла по сравнению с током мы находим Q _h / Q _max = 0,6 для выбранных нами тока и dT. Таким образом, Q _h = Q _max * 0,6 = 41 Вт * 0,6 = 24,6 Вт.

Расчет теплового сопротивления радиатора: = ΔT _HS  / Q _ч = 5 К / 24,6 Вт = 0,2 К/Вт
Нам нужен радиатор с тепловым сопротивлением менее 0,2 К/Вт.

Приведенные выше расчеты являются первой оценкой параметров термоэлектрической системы охлаждения. Тестирование реальной системы и итерация этапов проектирования необходимы для определения оптимальных параметров системы.

8. Датчики температуры

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

• Датчики температуры  – рекомендации по датчикам температуры (NTC, Pt100, Pt1000)

Измерение температуры объекта

датчик температуры (датчик) на объекте. Обратите внимание, что важно расположить датчик как можно ближе к критической точке на объекте, где вам нужна нужная температура.

Поскольку измерение температуры объекта требует более высокой точности и большего диапазона, мы предлагаем использовать датчики Pt100. Чтобы иметь возможность измерять температуры намного ниже 0 °C, необходимы датчики Pt100/1000. Это связано с тем, что, если температура становится слишком низкой, датчики NTC нельзя использовать, так как значение сопротивления становится слишком большим. Значение сопротивления датчика должно быть меньше эталонного сопротивления в контроллере ТЭО.

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

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

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

Подключение датчика температуры

Обратитесь к странице «Примечания к контроллеру TEC», чтобы узнать, как подключить датчик температуры.

9. Требования к источнику питания

Источник питания — это источник питания для контроллера ТЕС.

В зависимости от выбранного контроллера ТЭО необходимо выбрать блок питания. Убедитесь, что источник питания способен обеспечить мощность, необходимую для управления ТЭО с элементом Пельтье. (Как правило, вы можете добавить 10% резерва.