Svenska ElektronikForumet

Hej,

Jag har googlat runt en del och läst på för att försöka förstå optimal styrning av peltierelement bättre. Jag har en uppställning, en stack, med ett effektmotstånd, peltierelement, VGA-kylare. Sedan har jag en programmerbar elektronik som styr peltierelementet samt ett nätagg för att styra effekten till motståndet. Målet är då att hålla en viss temperatur på motståndet genom att reglera peltierelementet och det skall fungera för olika effekt in på resistorn.

Vid en viss pålaggt effekt på motståndet så kan regulatorn lätt hålla inställd temperatur på det om jag startar regulatorn på nära den temperaturen. Men behöver jag bränna på en del effekt på peltierelementet först för att sänka temperaturen så överhettar varma sidan och det blir ingen effektivetet kvar i peltierelementet. Det i sig börjar att i princip bara generera värme också.

Det jag gjorde då för att ordna det problemet var att begränsa temperaturen på varma sidan genom att dra av maximal möjlig effekt till peltierelementet om den blev för varm. Då kan jag alltid hämta ner effektmotståndet till rätt temperatur om jag kunde hålla det vid rätt temperatur från början.

Jag tycker att det borde finnas en optimal punkt som jag borde reglera mot. Dvs där det förs maximal effekt från motståndet till kylaren. Vid 0V på peltierelementet så drivs ju i princip ingen energi genom det. Vid 100% pådrag på peltierelemenet så värmer det bara eftersom dess effektivetet blir nära 0. Någon stans där mellan borde det finnas en optimal punkt. Dvs en optimal deltaT som jag bör hålla över peltierelementet.

Jag kan ju köra igenom 10-20 körningar och empiriskit hitta en ungefärlig punkt. Men nästa gång har jag ett annat peltierelement och behöver då testa igenom allt igen. Finns det inte någon teori/ekvation eller annat som beskriver detta stället? Någon med erfarenhet?

Tack på förhand!
Anders

Hej Anders,

Du skriver att du försöker "hålla en viss temperatur på motståndet" är det en speciell temperatur du vill ha eller vill du bara hålla ditt motstånd vid rumstemperatur oavsätt hur mycket energi du dumpar i det?
Eftersom du valt att ha ett peltierelement så gissar jag att det är en specifik temperatur du vill hålla.
Hur fungerar din reglering? Kör du PWM eller varierar du spänningen?
Är det några watt som max eller mycket mer som skall flyttas?

Hur fäster du effektmotståndet mot peltierelementet?
Tolkar jag dig rätt har du effektmotståndet direkt emot peltierelementet.
Du kan med fördel sätta en aluminium eller koppar-platta imellan motstånd och peltierelement för att få bra och jämn överföring av värme.

Peltierelement kan vara uppbyggda på många olika sätt med olika antal, bredd och höjd på pelletsen i samt olika täthet.
Hur det är uppbyggt påverkar vad det är optimalt att användas till. Man kan även välja att driva elementen olika hårt.
Det finns de som är bra på att pumpa värme vid en liten temperaturskillnad och andra som är bra på att skapa stora temperaturskillnader.
Vad har du för spec på ditt element?

Vet du hur mycket energi du kan transportera bort på varmsidan med din VGA-kylare och fläkt?
Vet du inte det kan du fästa motståndet direkt mot VGA-kylaren, isolera runt och öka på effekten på motståndet tills kylaren inte klarar att hålla en stabil temperatur. Där har du din gräns vad du kan få ur VGA-kylaren. Mer än så går inte att förvänta sig att ett peltierelement kan pumpa ut. Med "bättre" fläkt kan du få bättre resultat.

Det blev ett gäng motfrågor men om du svarar på dessa så skall jag försöka hjälpa dig.

//Erik

Jag skall börja med att påpeka att setup:en jag beskrev är till för tester. Resultaten skall användas för att designa en färdig lösning för att sedan med åren bli många olika lösningar.

Jag vill hålla en viss bestämd temperatur med hög noggrannhet. Plus minus några tiondelars grader. Jag har en variabel spänningskälla med en H-brygga påkopplad för att kunna värma vid behov.

I just den här applikationen jag håller på med nu så handlar det om 24W in i motståndet och jag har tillgång till ett 120W peltierelement och min drivare kan leverera 150W. Det är det här peltierelementet jag jobbar med just nu:
https://www1.elfa.se/data1/wwwroot/asse ... 0008_e.pdf

Effektmotståndet är skruvat i en aluminiumbit som sitter hårt tejpad i peltierelementet, termisk gucka mellan alla delar. VGA-kylaren täcker inte hela arean på peltierelementets varma sida vilket är direkt optimalt.

Min tanke med att ha ett 120W peltierelement är att kunna köra det på max 25-50%. De verkar vara mest effektiva under den gränsen.

Jag har två olika VGA-kylare som jag exprimenterar med. Jag hittar inte informationen igen nu, men den ena låg på runt 120-150W och den andra på kanske 60-80W som de skulle kunna kyla bort.

Men min tanken är att effekten som kylaren kan kyla bort egentligen inte spelar någon roll, det är hur varm kylaren blir som spelar roll (såklart indirekt kopplat till kylarens förmåga). Och om jag vill ha ett system som kanske med några få parametrar inmatade själv kan hitta hur peltierelementet körs optimalt, så vill jag inte hålla på och mäta upp alla olika möjliga kylflänsar, utan bara använda mig av hot-side och cold-side temperaturerna. Får för mig att det finns ett deltaT över peltierelemenet där de kyler som bäst och inte har tappat för mycket verkningsgrad. Ett deltaT som jag hoppas går att beräkna från lite data från peltierelementet.

Sedan är det enda jag behöver göra att reglera cold-side av peltierelementet till targettemperaturen om den ligger inom hot-side-temp minus deltaT, annars reglera mot hotside-temp minus deltaT.

Kanske inte är så enkelt? Kanske finns andra reglerteorier för Peltierelement?

Till att börja med så låter det inte som att ditt peltierelement optimalt för upptiften att temperera en 125W last.
Den typ av element du valt lämpar sig bäst om du t.ex. vill överklocka din processor och vill kyla så mycker som möjligt för att komma närmare rumstemperatur än du hade gjort utan elementet.
Därmed inte sagt att du inte kan använda det för lägre effekter som du funderade på.

Tittar man på databladet på ditt element så står det att om du lyckas hålla varma sidan av elementet på 25°C
och matar elementet med 14.3V och har en last på strax under 125W så får du ett delta T på 0°C över elementet. Altså ditt effektmotstånd kan hålla sig på 25°C.
Minskar du lasten till 25W men bibehåller varma sidan av elementet på 25°C och spänningen 14.3V så hamnar kallsidan på ca -25°C efter ett tag.

Om du har en last på 125W och håller delta T 0°C med hjälp av elementet som då matas med 14.3V så drar det ca 15,2A vilket gör att din VGA-kylare skall ta hand om 125 + 217 = 342Watt för att inte varma sidan på elementet skall börja stiga i temperatur och i sin tur ta med sig kallsidan uppåt.

Driver du den istället med ca 2V så kan man gissa att elementet drar ca 4W och kan pumpa ca 25W med delta T på 0°C med reservation att jag inte vet hur just det elementet beter sig vid så låga spänningar.

Om du vill avslöja mer om din applikation så är det lättare att hjälpa till. Åtminstone vilka temperarurer du avser att hålla på objektet samt omgivning. 25W bör fungera bra med ett element men börjar du öka på effekten som skall kylas bort så kan det finnas fördelar att gå över till 2 eller 4 element istället som då kan köras mjukare.

Du skriver att resultaten skall blir flera olika lösningar längre fram, om det inte är enbart hobby så kan det finnas företag som är bra på att ta fram lösningar så att kunden kan fokusera på sin huvudsakliga applikation

Under downloads på länken nedan finns en Thermoelectric Handbook som kanske kan ge något.
http://www.lairdtech.com/Products/Therm ... c-Modules/

//Erik - EE @ Laird

Överför inte peltierelementet mest effekt från varm sida till kall sida vid när den matas med mest effekt?

Och dessutom så kyler ju en kylfläns som mest effektivt när den är som varmast.

Som du säger så håller varma sidan och kalla sidan samma temperatur vid 0% effekt på peltiern. Däremot så uppnår du högst temperaturskillnad (c:a 75 grader brukar väl databladen säga?) vid 100% effekt på peltiern.

Om du har 0% effekt och säg 50 grader på ditt effektmotstånd så måste ju VGA-kylaren kyla en 50-gradig fläns med 25-gradig luft, deltaT = 25 grader. Om du har 100% effekt och 50 grader på ditt effektmotstånd så kommer VGA-kylaren kyla en 125 gradig fläns med 25-gradig luft, delta T=100. Dvs, fyra gånger mer effektivt med ditt peltier på max (om nu peltierelementet orkar pumpa så mycket effekt som motståndet levererar).

Jag tror helt enkelt inte att det finns någon annan 'optimal punkt' för ett peltierelement än maxeffektpunkten.

tgr: Det var inte 125W last på resistorn utan 24W. Sedan är peltierelementet på 120W och peltierdrivaren klarar av att driva 150W.

Den temperatur jag skall styra mot ligger förmodligen som mest på 32 grader. Men i spannet 22-38 grader vore bra att klara av. Omgivningstemperaturen är standard innomhusklimat, vad brukar standarderna säga? 15-32 grader?

Hur menar du att mitt valda peltierelement är mer till för att kyla ner en processor så mycket som möjligt? Vad är de andra typerna av peltierelement till för? Så att jag förstår skillnaderna mellan olika peltierelement.

Min erfarenhet av peltierelement säger att man bör välja ett som klarar av mycket mer effekt än man är ute efter. Det är bättre att använda ett 100W peltierelement på 25W än att använda ett 25W på 25W. Jag kan ha fel där, men jag tycker mig fått det bekräftat av en kunnig peltierkille för kanske ett år sedan. (kan de ha varit du? )

Jag kommer inte klara av att hålla den varma sidan av peltierelementet på 25 grader eftersom omgivningstemperaturen förmodligen ligger där, eller ända upp till 32 grader då kanske. Men 42 grader kanske jag kan hålla. Så 25W last. Och så vill jag köra så lite effekt som möjligt på peltierelementet eftersom att tillföra effekt där bara betyder att jag behöver kyla bort mer effekt med kylfläkten.

Jag kommer inte att få budget att hyra in en firma för att hjälpa till med designen. Den fungerar ju rätt så bra redan som det är nu. Min fråga gäller ju optimering. Om det går att hitta ett optimalt deltaT som jag bör försöka hålla för att få så bra verkningsgrad som möjligt. Eller om jag helt enkelt skall begränsa temperaturen på varma sidan vid en viss temperatur.

bellasoda:
Om man matar peltierelementet med max effekt så blir den varma sidan varm, vid 120W in så är det svårt att hålla varma sidan tillräckligt kall för att få någon verkningsgrad. För tvärt om som du säger att man har lägst verkningsgrad vid 0 grader tempdiff så har man högst verkningsgrad där. Det är då peltierelementet pumpar som mest energi genom sig. Vid max tempdiff så pumpas i princip ingen energi alls genom elementet.

Däremot så stämmer det att för att kylflänsen skall avge så mycket effekt som möjligt så skall deltaT mot luften vara så hög som möjligt. Problemet är då att peltierelementets effektivitet minskar med ökad temperatur, och kylflänsens effektivitet ökar med ökat temperatur.

Så det är väl egentligen den punkten jag vill hitta. Där de två effektivitetskurvorna skär varandra.

Jag såg att du har 24W i din applikation.
Jag ville bara förmedla ett räkneexempel att för att visa att 120W kyleffekt inte betyder att det är 120W som skall igenom varmflänsen utan betydligt mer. Vi får väldigt många som vill köpa ett element på t.ex. 120W och som sedan inte förstår att det är kanske 300+W som behövs tas hand om.

Spannet 22-38C borde inte vara några problem för dig att hålla dina 24W i.
Det är väldigt svårt att hålla en fast temperatur på varmsidan och finns ingen anledning för detta. Mina beräkningar var som sagt bara ett exempel. En bra noggran sensor på kallsidan och en välbalanserad pidregulator så skall det nog gå bra.

Att välja rätt element är inte helt lätt. Jag är absolut ingen expert och inget jag gör dagarna i ända.
Som jag skrev tidigare finns det element med täta pellets, tunna pellets, långa pellets osv. Stora element, små element, kaskadelement, element med hål i osv.
Vill man bygga ett högt delta T så vill man normalt ha en längre pellets (högre elemetn) för att separera kallsida från varmsida för att minska värmeläckage.
Behöver man högre delta T så finns kaskader med flera steg. Då flyttar man ofta inte så mycket effekt.
Vill man pumpa mycket effekt med litet delta T så väljer man istället en tunn modul med många pellets.
Det finns dessutom olika antal pellets för att köra på 6V, 12V eller 24V. Eller så kör man en 24V modul på 12V för att köra den snällt.
I vissa applikationer är hög COP viktigt medans i andra så är tillförd effekt inga problem.
I andra är det priset som är det viktiga. Volymen pellets är ju kopplad till råmaterialpriser.

Jag tror det står lite om de olika serierna vi har i den pdf-handboken jag tipsade om.


Angående optimering så är det såklart lättast om det är samma temperatur på både varm och kall sida till att börja med. Jag är lite osäker på viken arbetstemperatur som faktiskt är bäst.
Då slipper du läckage bakvägen igenom elementet. Sen får man titta på kurvorna för olika element för att hitta rätt samt testa i verkligheten.
Det går ju att räkna fram ditt motstånds effekt + effekten för att driva elementet. Sen om du tänker att hålla ett önskat delta T över elementet så har du en temperaturskillnad till omgivningen.
Då får du att du behöver en kylfläns + fläkt som behöver klara ett visst Rth (grader per watt).
Sen kommer såklart alla variabler röra på sig och det är därför du har din regulator för att finjustera.

Sen var det inte meningen att jag skulle sälja konsulttjänster utan mer peka på att om du skall ha minst några hudra aggregat så hjälper vi till att ta fram en lösning som passar bäst för just dig som vi tillverkar och säljer. Men det går såklart även att köpa lösa element i lite större volymer. Elfa är inte alltid billigast

Hej!

Jag har byggt en liknande grej nyligen, dock med en 60W peltier och en CPU-kylare på varma sidan.

Precis som sagts så är ett av huvudproblemen att värme leds tillbaks genom peltierelementet.
Ju större temperaturskillnad desto mer värme leds tillbaks.

Nyckeln till framgång när man använder peltierelement är att ha effektiv kylning på den varma sidan.
Matar du in 120W i systemet så lär du ha en kraftig CPU-kylare med flertalet heatpipes och rejäl fläkt för att få rimlig temperatur på varma sidan.

Överhettar du den varma sidan så riskerar du dels att förstöra peltierelementet och dels så blir verkningsgraden mindre och mindre tills kyleffekten är nära noll och all ström blir värme.
Detta tillstånd är på något sätt självförstärkande om kylningen är allt för dålig har jag noterat.

Som exempel så har jag för mig att min maskin hade 45 grader på varma sidan vid 5 grader på kalla sidan och 60 watt inmatad effekt. Jag tror att den användbara kyleffekten låg på 10-15 watt då.

Med en duglig CPU-kylare utan heatpipes på typ 0,5 watt per grad i termisk resistans så får du 80 grader på varma sidan vid 20 grader rumstemperatur och 120watt inmatad effekt. Den användbara kyleffekten lär vara i storleksordningen 20 watt i detta läget.
Byter du till en duglig heatpipe-kylare på 0,25 watt per grad så får du plötsligt 50 grader på varma sidan och kyleffekten fördubblas troligen.

En massa bra information i den här tråden nu. Jag skall helt klart gå tillbaka till den nästa gång jag skall välja ett peltierelement.

Det verkar iaf inte som att det finns något optimalt deltaT som jag bör sikta på eller några standardekvationer som man brukar använda för att avgöra vart ett peltierelement går som effektivast. Så jag får köra vidare på den lösning jag har idag.

En ytterligare sak att notera är att när heatpipsen i hot-side-kylaren blir för varm så har den heller ingen effektivitet. Gasen i pipsen måste kondensera vid fläkten och förångas vid värmeplattan för att det skall fungera. En kylfläns med heatpipes för datoranvändning är förmodligen designad för att fungera som bäst kring 40-50 grader och fungerar inte alls kring 70-80.

Jo, du bör såklart välja en kylare med tillräckligt många heatpipes för att klara transportera bort värmen Jag har dock hittills inte lyckats överhetta heatpipes så att de slutar leda värme.

Här finns lite data på ett par moderna cpu-kylare (som kanske ska tas med en nypa salt, men ändå ger en bild av läget): http://www.enermax.de/fileadmin/enermax ... ion_EN.pdf

Här är ett test med lite äldre kylare som jämförelse: http://www.dansdata.com/coolercomp_p2.htm

Här är en annan ganska lång lista på kylare och dess prestanda, där man listat hur många grader temperaturen stiger vid 125W last, både vattenkylning och till och med en kompressorkylare finns med: http://www.frostytech.com/articleview.c ... 699&page=4


Första versionen av min temperaturkontroll byggde på mer lokal kylning och värmning med tre små peltierelement som förbrukade ca 10W totalt om jag minns rätt.
Jag trodde att den del av instrumentet som grejorna var monterade mot skulle klara hantera värmen och funka som kylfläns, men jag fick ungefär det fenomen du beskriver.
När man startade så var allt frid och fröjd och den kunde hålla temperaturen kring rumstemperatur hyfsat.
Började man däremot kyla rejält så hamnade man i ett självförstärkande läge där det blev med och mer värme och lägre och lägre verkningsgrad och tillslut kunde man ligga med full effekt utan att den varma sidan var särskilt mycket kallare än rumstemperatur.
Därav allt tjat om att kyla den varma sidan ordentligt.

Kompressorprylen där låter som det man skall ha. Man får iaf inte problem med kondens. Man får det istället med frost.

Jag tittade på de 4-5 bästa kylarna (utom kompressorn) och de såg alla nästan lika dana ut. Det verkar finnas en vinnande design.