Cách tính tải làm mát và chọn mô-đun Peltier

Những câu hỏi thường gặp — cần bao nhiêu watt làm mát Peltier, công suất điện đầu vào có bằng công suất làm mát hay không, và vì sao thiết bị có Qcmax cao vẫn không đạt yêu cầu — đều xuất phát từ một nguyên nhân: coi thông số mô-đun là kết quả của cả hệ thống. TEC hoạt động trong chuỗi nhiệt gồm tải, tấm lạnh, các lớp tiếp xúc, cách nhiệt, bộ trao đổi nhiệt phía nóng và môi trường.

Hai mô-đun giống nhau có thể vận hành rất khác khi bộ tản nhiệt, lực ép lắp đặt, lưu lượng gió, tổn thất phía lạnh hoặc dòng điều khiển khác nhau. Vì vậy phải bắt đầu lựa chọn từ bản đồ nhiệt và yêu cầu nhiệt độ của thiết bị, sau đó mới đối chiếu đường cong mô-đun.

Tải làm mát là tổng nhiệt mà phía lạnh phải loại bỏ trong khi vẫn đáp ứng nhiệt độ và thời gian yêu cầu. Hãy tách nguồn nhiệt ổn định khỏi nhu cầu hạ nhiệt ban đầu để không nhầm một đỉnh tải ngắn lúc khởi động với công suất liên tục.

Một bảng tải hữu ích phải nêu tên từng nguồn, chế độ hoạt động và đường truyền vật lý đến phía lạnh. Không nên giấu mức bất định trong một con số watt duy nhất không có giải thích.

Với thiết bị có công suất điện đầu vào đã biết, phần lớn điện năng cuối cùng trở thành nhiệt, nhưng không phải toàn bộ nhiệt đó đều đi đến phía lạnh của TEC. Công suất quang, công cơ học, vận chuyển chất lỏng và dẫn nhiệt sang khung khác có thể đưa năng lượng qua biên đã chọn.

Ưu tiên dùng tổn hao đo được. Nếu chưa có, hãy lập cân bằng năng lượng cho từng trạng thái và ghi rõ tỷ lệ giả định đi tới tấm lạnh. Cần đo phần cứng đại diện nếu giả định đó làm thay đổi đáng kể số lượng mô-đun.

Nhiệt thụ động đi vào bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ và trao đổi không khí. Vít kim loại, ống, giá đỡ và lớp chắn cáp có thể vượt qua cách nhiệt như cầu nhiệt. Khe hở và vật liệu cách nhiệt bị ướt có thể chi phối tổn thất của một vỏ vốn được cách nhiệt tốt.

Ở giai đoạn ước tính ban đầu, hệ số truyền nhiệt tổng U có thể đại diện cho nhiều lớp. Tuy nhiên, nó không thay thế mô hình chi tiết khi hình học có cầu nhiệt mạnh, điện trở tiếp xúc, tấm chắn bức xạ hoặc luồng khí không đều.

Làm nguội một khối từ nhiệt độ ban đầu đến mục tiêu đòi hỏi loại bỏ nhiệt cảm tích trữ. Chia năng lượng đó cho thời gian cho phép sẽ cho nhu cầu hạ nhiệt trung bình. Tải thực có thể thay đổi trong chu kỳ khi tính chất vật liệu, tổn thất và khả năng TEC biến đổi.

Hãy xử lý kết quả này riêng với tải ổn định. Hệ thống có thể cần công suất cao hơn trong thời gian ngắn, thời gian hạ nhiệt dài hơn, làm mát theo giai đoạn hoặc tích trữ nhiệt thay vì dùng TEC luôn quá cỡ.

Mục tiêu của khách hàng có thể là chất lỏng, giá quang, mẫu, không khí trong buồng hoặc bề mặt sản phẩm. Tấm lạnh thường phải lạnh hơn để truyền nhiệt qua điện trở tiếp xúc và điện trở lan nhiệt; gốm TEC có thể còn phải lạnh hơn do tổn thất giao diện.

Mô-đun chịu chênh lệch giữa nhiệt độ gốm nóng và gốm lạnh thực tế. Lấy nhiệt độ môi trường trừ nhiệt độ mục tiêu sẽ bỏ qua độ tăng của bộ tản nhiệt, độ giảm qua giao diện và gradient tấm lạnh, nên có thể đánh giá thấp độ nâng nhiệt cần thiết.

Qcmax thường được đặc trưng gần ΔT = 0 trong điều kiện phía nóng và điện đã nêu. ΔTmax thường được đặc trưng gần Qc = 0. Hệ thống thực cần Qc khác không và ΔT khác không cùng lúc, nên không giá trị nổi bật nào là công suất làm mát vận hành.

Hãy dùng đường cong nhà sản xuất, mô hình tính đã xác nhận hoặc dữ liệu thử tại Th, dòng và ΔT dự kiến. Nội suy phải tôn trọng điều kiện thử được công bố; không tự tạo đường cong chỉ từ hai giá trị cực đại.

Vẽ hoặc tính Qc và ΔT cần thiết, sau đó tìm các tổ hợp dòng và áp có đủ dự phòng mà không buộc TEC chạy liên tục ở Imax. So sánh công suất đầu vào, COP, tải phía nóng, dải điều khiển và khả năng đáp ứng tại Th thực.

Bộ tản nhiệt nhận nhiệt được bơm từ phía lạnh cộng với công suất điện cấp cho TEC. Chỉ định cỡ theo Qc sẽ làm Th và ΔT tăng, đồng thời có thể khiến bộ điều khiển yêu cầu thêm dòng.

Dự phòng phải bao phủ các bất định đã biết: sai số đo, dải môi trường, dung sai sản xuất, bụi, bộ lọc, lão hóa quạt hoặc bơm, biến thiên nguồn, hướng lắp và sự kiện khởi động. Không có một tỷ lệ phần trăm chung đáng tin cậy vì rủi ro khác nhau theo dự án.

Dự phòng quá ít làm mất nhiệt độ mục tiêu. Diện tích mô-đun hoặc dòng quá lớn có thể giảm khả năng điều khiển, tăng Pin và Qh, làm nguồn lớn hơn và gây ngưng tụ hoặc đóng ngắt. Hãy gắn dự phòng với từng rủi ro cụ thể và kiểm chứng bằng thử nghiệm.

Giả sử mạch điện của thiết bị đưa 80 W vào biên lạnh và kết cấu cùng môi trường thêm 20 W, tạo tải ổn định 100 W. Tải mục tiêu cần mặt lạnh TEC ước tính Tc = 15°C. Môi trường là 30°C và bộ tản nhiệt sơ bộ dự đoán Th = 40°C, nên TEC phải vận hành tại ΔT = 25°C.

Không thể chọn trực tiếp mô-đun ghi Qcmax = 100 W. Kỹ sư phải đọc đường cong tại Th = 40°C và ΔT = 25°C, xác định Qc hữu ích có vượt yêu cầu ở dòng phù hợp hay không, tính Pin rồi đổi cỡ bộ tản nhiệt theo Qh. Tiếp tục lặp cho đến khi Tc, Th, Qc và giới hạn điện phù hợp.

Phần lớn lỗi lựa chọn bắt nguồn từ một điều kiện biên bị thiếu hoặc một thông số bị hiểu sai.

Một yêu cầu đánh giá kỹ thuật hữu ích phải đủ thông tin để dựng lại cả trạng thái ổn định và quá trình khởi động.

Lựa chọn Peltier đúng phải liên kết tính tải với nhiệt độ thực trên hai mặt TEC, dòng vận hành, COP và Qh. Tấm lạnh, giao diện, bộ tản nhiệt, quạt hoặc vòng chất lỏng, nguồn, bộ điều khiển, cách nhiệt và chống ngưng tụ đều là các biến thiết kế liên quan.

Arkmex có thể đánh giá điểm vận hành, số mô-đun, tấm lạnh, hệ thống thải nhiệt, nguồn và kiến trúc điều khiển cho cụm OEM. Hiệu suất cuối cùng phải được xác nhận trong thiết bị hoàn chỉnh của khách hàng ở điều kiện xấu nhất đại diện.