Выбор мощности

Эффективность использования модулей Пельтье зависит от выбора подходящей модели и установки соответствующих режимов ее эксплуатации. Необходимо отметить, что неоптимальные мощность и режим работы кулера могут даже привести к выходу из строя охлаждаемых компонентов. Оптимальный же выбор представляет собой сравнительно непростую задачу.

Одну из методик расчетов иллюстрируют графики на рис. 7, где приведены термоэлектрические характеристики одного из вариантов серийно выпускаемых термоэлектрических модулей. Здесь Th(K) - температура горячей стороны модуля Пельтье, град. Кельвина; Imax(A) - максимально допустимый ток, А; dTmax(K) - максимальная разность температур между горячей и холодной сторонами модуля Пельтье, град. Кельвина (измеряется без нагрузки, в вакууме); Umax(V) - максимально допустимое напряжение, В; Qcmax(W) - максимальная мощность хладообразования, Вт; RdTm(OHM) - сопротивление модуля по переменному току, Ом.

Отметим, что значения указанных параметров модуля Пельтье зависят от температуры его горячей стороны. Таким образом, они несколько отличаются от значений в каталогах, где характеристики модулей приводятся для температуры 300 К (27 град.С).

Рис. 7. Термоэлектрические характеристики полупроводникового модуля Пельтье (публикуется с разрешения компании "Остерм").

Методика расчетов по графикам характеристик состоит в следующем:

1. По графику U(I) для выбранного напряжения U определяют силу тока I, протекающего через модуль Пельтье, при этом значение I должно лежать в диапазоне восходящей кривой dT(I).

2. Для значения I по кривым, определяющим зависимость dT от тепловой мощности Qc (в левом нижнем углу рис. 7) выбирается соответствующая характеристика.

3. По известным значениям температур Th и dT определяется температура холодной стороны модуля ПельтьеTc:

dT = Th - Tc,

где Tc - температура холодной стороны модуля, Th - температура горячей стороны, dT - разность температур.

Из графиков зависимости dT от Qc видно, что с увеличением тепловой мощности охлаждаемого элемента снижается разница температур между горячей и холодной сторонами модуля Пельтье. При этом чем выше сила протекающего через модуль тока, определяемая приложенным напряжением U, тем выше разность dT при фиксированной тепловой мощности Qc.

Приведем пример расчета, исходя из следующих начальных условий: подаваемое напряжение - 12 В; мощность охлаждаемого элемента - 20, 40 и 60 Вт; температура горячей стороны модуля Пельтье (основания охлаждающего модуль Пельтье радиатора) - 50 град.С.

1. Для напряжения 12 В сила тока составляет 5 А.
2. Для силы тока в 5 А и тепловой мощности охлаждаемого элемента 20 Вт разница температур dT составит примерно 45 К, для 40 Вт - 25 К, для 60 Вт - 4 К.
3. По определенным значениям dT и температуре горячей стороны модуля Пельтье, которая в данном примере составляет 323 К (50°С), можно вычислить температуру Tc для каждого значения Qc. Для тепловой мощности охлаждаемого элемента, равной 20 Вт, температура холодной стороны модуля Пельтье составит 278 К (5 град.С), для 40 Вт - 298 К (25 град.С), для 60 Вт - 319 К (46 град.С).

Очевидно, что при использовании более мощного модуля Пельтье можно достичь большей разности температур горячей и холодной сторон. Например, модуль с Qc = 131 Вт (Imax = 8,5 А, Umax = 28,8 В), обеспечивает разность температур в 35-40 град.С для объектов с мощностью теплообразования 60 Вт.

Выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль, нельзя забывать и о его собственной теплотворной способности. Действительно, для рассмотренного модуля, эксплуатируемого в описанном выше режиме (U = 12 В, I = 5 А), эта мощность составляет 60 Вт. В итоге тепловой поток, порождаемый охлаждаемым элементом и модулем Пельтье, ложится тяжким бременем на охлаждающие средства.