Les appareils Peltier peuvent-ils être montés en cascade?
Réponses:
Oui, et cela se fait régulièrement. Cependant, il y a des limites à ce que vous pouvez réaliser, basées à la fois sur les limites des appareils individuels (température minimale et maximale) et des effets tels que la résistance thermique totale à travers la pile. Finalement, vous arrivez au point où la «fuite inverse» de chaleur à travers la pile (qui augmente avec la différence de température de bout en bout) est égale à la capacité de la pile à éliminer la chaleur.
Un autre problème est l'inefficacité relative des appareils Peltier. Typiquement, le flux de chaleur sortant du côté chaud de chaque appareil est de l'ordre de 3 à 5 fois la chaleur entrant dans le côté froid. Lorsque vous empilez des périphériques, chacun doit être beaucoup plus grand que le précédent, ce qui entraîne des problèmes de taille (ce qui revient également au problème de fuite de chaleur).
Bien sûr, cependant, en raison de l'efficacité misérable, il est typique d'empiler des tailles croissantes, un peu comme des étages de fusée, de sorte que le plus gros traite du flux de chaleur de tous les autres.
Photo d' ici .
Ils peuvent certainement être mis en cascade, mais le problème est que la phase chaude pourrait avoir une capacité de transfert de chaleur beaucoup plus grande que la phase froide.
Les thermoélectriques AFAIK les plus efficaces ont un facteur de transfert de ~ 100%, ce qui signifie qu'ils consomment de l'énergie et produisent de la chaleur de 1 W pour 1 W transféré du côté froid (les réfrigérateurs à compresseur ont environ 300%, ils transfèrent 3 W de chaleur pour 1 W de puissance).
Supposons que vous ayez besoin de transférer environ 1 W de chaleur depuis votre appareil. L'étape la plus froide pourrait alors produire 2 W de chaleur à son extrémité chaude, et toute sa chaleur devrait être transférée par l'étape suivante. La prochaine étape produira 4 W de chaleur. Puis 8 W et ainsi de suite.
Les peltiers en cascade devraient ressembler à ceci:
Oui. Vous pouvez monter plusieurs Peltiers à un seul étage, si les flux électriques et thermiques sont dûment pris en compte. Vous verrez que les appareils à plusieurs étages ont généralement des zones physiques décroissantes pour les étages les plus froids. C'est parce que vous avez une quantité décroissante de "froid" disponible à chaque étape successive car les étapes les plus chaudes avant elles doivent pomper à la fois l'énergie thermique des étapes les plus froides et les pertes résistives électriques des étapes les plus froides.
En raison de la faible efficacité des refroidisseurs Peltier par rapport à l'entrée électrique, un étage froid doit fonctionner à une entrée électrique sensiblement inférieure à l'étage le plus chaud qui le refroidit. Il est facile de submerger l'étage le plus chaud avec l'énergie thermique de l'entrée CC de l'étage plus froid et de ne pas obtenir de refroidissement net du tout.
L'empilement direct des modules Peltier est problématique dans la pratique. Le dissipateur thermique requis est important. Vous pouvez considérer une baie série Peltier (empilée) dans un système comme une machine qui doit être «démarrée».
Si la dissipation thermique est trop importante, il faut une éternité pour démarrer le chauffage / refroidissement. Ceci est facilement compensé en utilisant un ventilateur avec le dissipateur de chaleur, puis en réduisant le ventilateur au démarrage.
Bien que je ne comprenne pas l'avantage du chauffage à base de Peltier, sauf dans un système qui bascule entre le chauffage et le refroidissement pour la même tâche.
Les éléments résistifs sont plus durables et plus faciles à contrôler que les Peltiers pour le chauffage, car ils peuvent être cyclés plusieurs fois.
La conception que j'ai utilisée pour plusieurs modules Peltier empilés était un 12706 entre un dissipateur de chaleur / ventilateur du côté sortie et une barre de cuivre finie deux fois la largeur du 12706, à la décharge.
De l'autre côté de la barre de cuivre se trouvaient (2) 12706 en parallèle, mécaniquement, et un dissipateur de chaleur / ventilateur en aluminium lourd du côté de la décharge finale.
Les éléments individuels Peltier (TEC) ont été câblés en parallèle. J'ai conduit le réseau parallèle de 12706 avec une alimentation constante maximale 15ADC, 12VDC, RTD-disciplinée, linéaire.
Les blocs d'alimentation linéaires sont inefficaces en eux-mêmes. Ainsi, le SMPS discipliné par RTD (> 90% d'efficacité) est une option plus efficace.
Ce système était destiné au refroidissement (atteint -12 ° C à température ambiante), mais si vous l'inverse, il fonctionnera pour le chauffage. Les éléments Peltier ne doivent pas être chauffés au-dessus de la température de la soudure utilisée pour les fabriquer. Une expérimentation imprudente ou inexpérimentée peut facilement provoquer cela.
Vous voulez juste vous assurer (2) des choses: que vous ne dissipiez pas trop de chaleur du côté chaud, car le transfert de chaleur dépend de la différence de température des deux côtés. Cette propriété des modules TEC a des limites idiosyncratiques.
Si le côté chaud n'est pas assez chaud, le système ne transférera pas de chaleur et la consommation électrique sera faible. Et aussi que le transfert de chaleur ne devient pas parasite et ne coule pas du côté froid, donc l'ensemble du réseau n'est qu'un radiateur. Cela peut faire fondre la soudure dans le module TEC (Peltier).
J'ai trouvé que la spécification la plus utile sur un module TEC est la plage de température nominale optimale sur les côtés chaud et froid. Tout le reste, sauf l'entrée électrique, peut être dérivé par expérience. Mais si vous essayez d'obtenir le deltaT spécifié en utilisant une température élevée et basse incorrecte, vous risquez de ne pas obtenir la pleine capacité de transfert de chaleur du module.
Une grande partie de l'avantage obtenu avec les modules TEC de qualité est qu'ils fonctionnent avec la différence de température nominale décalée plus bas. Le delta 66C peut être 44C-100C ou 0C-66C.
Tous les modules TEC classés deltaT> = 66C fonctionneront bien à delta 0C-66C ou moins. Ils peuvent donner le plus grand transfert de chaleur au delta 44C-100C. Plus le côté froid est froid, plus le système est généralement souhaitable.
Il est également nécessaire que le composé d'interface de transfert thermique soit appliqué entre les modules TEC et ce à quoi ils s'interfacent. Aucun module TEC ne s'interface directement avec l'atmosphère. Il y a toujours quelque chose de chaque côté des modules Peltier.
Je n'ai pas pu obtenir de résultats satisfaisants en empilant directement un 12712 sur le côté chaud d'un 12706.
Vers 2009, j'ai préparé un tel refroidisseur cryogénique, en utilisant une pile Peltier à 3 étages et le plus grand refroidisseur de carte vidéo PC refroidi par air vendu avec 7 caloducs (vous pouvez rechercher une publication pour l'instrument d'iode ROFLEX).
Plus tard, le client a voulu construire plus d'exemplaires autour de moi et a demandé à l'usine de plaques Peltier quel refroidisseur d'air il devait utiliser. J'ai été fier d'entendre que - avec nos plaquettes, il est complètement impossible de refroidir quoi que ce soit, en utilisant n'importe quel type de refroidisseur d'air. Le problème à Peltier n'est pas seulement un flux de chaleur en tant que tel, mais une intensité de flux de chaleur sur un centimètre carré de contact avec le radiateur. Les plaquettes ont une taille assez petite, environ 4x4 ou 2x2 cm, donc le flux de chaleur de 100W y est plus que beaucoup.
En fait, les plaquettes à 3 cascades dans mon cas ont donné une différence de 116 C entre les plaques d'extrémité, ce qui est proche de la frontière théorique, j'ai donc pu produire une stabilité de moins 45 C sous le climat tropical.
Cette année, j'ai besoin d'en obtenir encore plus, le -100C pour 1 cm3 de radiateur non refroidi par eau quand + 50C d'air serait le but. Pendant un certain temps, je ne suis pas sûr que ce soit possible.
J'écris ceci pour m'assurer que -45 C est vraiment possible, mais pas beaucoup plus profond. La théorie dit que la 4ème plaquette sur trois endommagera le processus au lieu de le stimuler.
Oui, de minuscules appareils sont en fait vendus à cet effet. Vous pouvez même acheter des piles prêtes à l'emploi avec les matériaux appropriés à chaque étape afin que le problème de saturation thermique soit atténué (si je me souviens, ils utilisent un processus plus efficace en haut en substituant Sb dans le BiTe) J'ai des plans pour essayer de refroidir un échantillon de SH21Pd97? sous pression jusqu'à des températures cryogéniques proches et voyez si la résistance chute soudainement, et reproduisez la même expérience avec le Bi-2223 comme contrôle avec quelques ajustements plus tard qui pourraient augmenter le Tc jusqu'à 20%. Peut-être même une amélioration du laser via un laser infrarouge accordé.