熱電制冷器的選型是一個迭代過程。除基本尺寸信息之外,一個典型的TEC技術(shù)規(guī)格書中還包含如下基本信息:
Qcmax:當(dāng)冷熱面溫差為0℃時,熱電冷卻器能夠轉(zhuǎn)移的熱量。
Imax:熱電冷卻器允許通過的最大電流;
Vmax:熱電冷卻器通過最大電流時,熱電冷卻器兩端的電壓;
DTmax:當(dāng)熱電冷卻器通過最大電流,同時,熱電冷卻器加載的熱量為零時,熱電冷卻器兩端所達到的最大溫差。
COP:綜合性能系數(shù)(coefficientof performance),表示冷卻的熱量值與輸入能量的比值Qc/(V*I);
Th:熱電冷卻器熱端溫度;
RAC:熱電冷卻器的電阻。
下圖為某TEC基本參數(shù)表:
對于TEC而言,當(dāng)運行溫度不同時,由于電氣性能變化,上文所提及的關(guān)鍵參數(shù)也將有所不同。此例中,取熱端溫度為50℃的性能參數(shù)。假定需求場景為:發(fā)熱芯片功耗為20W,要求溫度控制在26℃,依此計算此TEC的工作點(工作電流和工作電壓)。
芯片溫度控制在26℃,則溫升要求為24℃。通過規(guī)格書中的制冷量、電流、溫差圖,獲知工作電流應(yīng)為4A:
此處4A的電流,指的是TEC工作穩(wěn)定之后的電流,啟動時,工作電流稍大。在某些TEC規(guī)格書中還提供有電壓、電流和溫差線圖,此時,可以在此圖中將對應(yīng)的電壓線找到,并使得溫差為零(初始狀態(tài),冷熱面溫差為零),回溯獲得初始電流值。如果規(guī)格書中并未提供此圖,則通常按照穩(wěn)態(tài)電流值的~1.2倍設(shè)置。
根據(jù)電流、電壓、溫差圖,查知工作電壓為4.5V。依工作電壓和工作電流,計算得為實現(xiàn)當(dāng)前熱傳量并維持所要求的溫差,所需輸入功率為Pin = I * V = 4A * 4.5V = 18 W. 換算知此時TEC綜合效率系數(shù)為COP = 20W/18W= 1.11.
COP值還可以在COP、電壓、溫差圖中查知。
從此圖中,不僅可以查知COP值,還可判定在此工作溫差、工作電壓下TEC工作的最高效率點。按照此圖顯示,COP值顯然不在最優(yōu)點。此TEC實現(xiàn)20W功耗,在環(huán)境溫度為24℃時,控制芯片結(jié)溫為26℃時,需要輸入的額外電能為18W。為了達到這樣的效果,還要滿足如下兩個信息:
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電路的設(shè)定,需要能夠支持TEC的電流需求;
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TEC熱面裝配的散熱器,能夠在維持熱面溫度為50℃的前提下,穩(wěn)定地散失38W(芯片發(fā)熱量20W+TEC輸入功率18W)的熱量。
由此,不難看出,TEC的設(shè)計選型,需要電路和散熱器的匹配設(shè)計。而且,散熱器的熱負荷等于芯片發(fā)熱量與TEC輸入功率之和。當(dāng)TEC的COP值不高時,為了將芯片的特定功耗及時轉(zhuǎn)移,TEC需要更高的輸入功耗,這樣不僅使得設(shè)計方案能效降低,還會增加散熱器的熱負荷,給熱量的最終轉(zhuǎn)移帶來困難。因此,TEC的選型是一個迭代過程。在最終選定TEC前,需要采用上述方法對比多個TEC的綜合效率值,選則能效比最高的熱電冷卻器,實現(xiàn)最節(jié)能、外部散熱系統(tǒng)設(shè)計需求最小的方案。
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