Что эффективнее сложить два модуля Пельтье или поставить их рядом?

Термоэлектрические охладители (ТЭО) ужасно неэффективны (сейчас они немного лучше, чем десять лет назад, но ненамного). Охлаждение куска инертного материала является самым простым. Охлаждение и контроль температуры активного устройства, рассеивающего мощность, сложнее. Гораздо сложнее.

Пример: еще во времена бума оптических телекоммуникаций я работал над упаковкой для оптического коммутационного устройства. Все главные конструкторы были в восторге, потому что они разработали конструкцию, в которой активный оптический материал и схемы ВЧ-привода интегрировались на небольшой подложке площадью примерно в квадратный сантиметр. Я спросил характеристики того, насколько холодным и какая мощность потребуется схемам, и они сказали, что это всего 10 Вт, и это не должно быть таким холодным, просто контролируемым.

Что ж, в то время коммерчески доступные TEC были примерно на 10% эффективнее. Таким образом, чтобы откачать 10 Вт от подложки, требуется 100 Вт мощности для ТЭО. Это, в свою очередь, означало, что 110 Вт сбрасывались на радиатор при комнатной температуре. Это означало TEC размером примерно 4 x 4 дюйма и огромный радиатор размером 6 x 6 дюймов с гигантским вентилятором. Итак, это красивое тесно интегрированное устройство означало гигантский корпус.

Что это значит для тебя? Ну, вы складываете TEC, чтобы сделать ваш холодный объект еще холоднее. Но это приводит к большому штрафу в том, сколько энергии разрешено расходовать вашему «холодному» объекту. Этот первый этап эффективен только на 10%. Размер второй ступени должен быть таким, чтобы через нее можно было прокачать всю мощность устройства И первого ТЭО, и снова с эффективностью всего 10%. Ой. В приведенном выше случае вторая ступень должна была бы накачивать 110 Вт, поэтому для ее накачки потребовалось бы около 1100 Вт, то есть всего 1210 Вт. Ваша эффективность летит к чертям со сложенными ТИКами - каждый дополнительный этап должен неэффективно прокачивать неэффективности всех предыдущих этапов.

Если вы хотите быть максимально эффективным, используйте один этап. Это ограничит вашу предельную температуру, но будет потреблять больше всего энергии от охлаждаемого устройства. Если вам нужна самая низкая возможная температура, сложите свои ТЭО, но помните, что максимальная мощность, которую вы можете рассеять, упадет, как камень.

Если проблема заключается в эффективности, то обязательно используйте параллельные TEC (или используйте один блок, рассчитанный на удвоенную мощность, то же самое). Единственная причина штабелирования ТЭО — получение более низкой температуры. Однако это сильно сказывается на эффективности и общем энергопотреблении.

Другой момент заключается в том, что распараллеливание TEC на самом деле в целом более эффективно. Причина в том, что ТЭО более эффективны при меньшей мощности. Мощность охлаждения пропорциональна току, а внутренний нагрев происходит из-за внутренних потерь I ² R, поэтому пропорциональна квадрату тока. При малых токах небольшое увеличение тока вызывает большее охлаждение, чем дополнительный внутренний нагрев. Однако, в конце концов, квадратичный член побеждает, и в верхней части параболы небольшой прирост тока вызывает такой же нагрев, какой дополнительный ток может вызвать отключение устройства. Это максимальная точка охлаждения, но также и наименее эффективная точка в нормальном рабочем диапазоне.

Таким образом, два индетических ТЭО, включенных параллельно, требуют менее 1/2 тока каждого, чем одиночный ТЭО, необходимый для той же мощности охлаждения. Другой способ выразить это состоит в том, что, за исключением денег и ограничений по пространству, вы хотите увеличить размер TEC для повышения эффективности.

Вам понадобится гораздо больший радиатор!
(и, возможно, только один ТЭО). Если он охлаждается только за счет конвекции, то, возможно, площадь теплоотвода * в 10 раз больше, чем у ТЭО. (может быть больше)

Классическая ошибка при использовании TEC заключается в слишком маленьком радиаторе. При слишком маленьком радиаторе горячая сторона ТЭО становится еще горячее, увеличивается тепловая утечка через ТЭО, ему приходится работать усерднее, чтобы поддерживать ту же температуру… и все это приводит к тепловому разгону.

*нужно говорить об объеме радиатора.

Эффективность 10% не означает, что вам требуется 100 Вт для обеспечения 10 Вт охлаждения. Это полная ерунда. Эффективность сравнивается с количеством тепла, переданного идеальному циклу Карно. В идеальном цикле Карно возможны значения «коэффициента полезного действия» (КПД) более 5. Вот почему эффективность ТЭМ может быть низкой, но КПД на самом деле вполне приемлемый, просто не такой хороший, как у парокомпрессионного цикла. В большинстве приложений 100 Вт подаваемой мощности отводят около 50 Вт тепла, плюс-минус.

При разнице в 20 градусов Цельсия более эффективными будут параллельные устройства, если они работают в своем нормальном диапазоне отвода тепла. Если ваш бокс с камерой необычайно хорошо изолирован и вы можете часами ждать, пока он остынет, то наиболее эффективным будет последовательное подключение обоих устройств, работающих на мощности менее 10% от максимальной.

Причина связана с графиками, предоставленными производителем вашего модуля. Как правило, вы можете получить КПД выше 200 % при разнице температур в 10 градусов при низком тепловом потоке, так что это 100 % для двух последовательно соединенных. Тепловой поток удваивается, а требуемая мощность увеличивается почти в четыре раза, поэтому эффективность составляет 110% на модуль или 55% в целом.

Параллельно 2 устройства с дельтой T 20 градусов могут иметь эффективность 75% при общем тепловом потоке первого случая в предыдущем абзаце. При удвоенном тепловом потоке второго случая КПД может составить 85%.

Работа устройств Пельтье на мощности, близкой к их номинальной, очень неэффективна и требует большой осторожности, чтобы предотвратить тепловой разгон и разрушение устройства. Избегайте этого, если это возможно.

Радиаторы с обеих сторон должны быть очень эффективными, и вам следует подумать о вентиляторе для горячей стороны, изолирующей вибрацию от камеры.