كيفية اختيار وحدات التبريد الكهروحرارية متعددة المراحل (وحدة بلتييه متعددة المراحل)

إن اختيار وحدات التبريد الكهروحرارية متعددة المراحل (جهاز بلتييه متعدد المراحل) أكثر تعقيدًا بكثير من اختيار وحدات التبريد الكهروحرارية أحادية المرحلة العادية، لأنها تتضمن بنية "متتالية" ولها متطلبات أعلى لإدارة الحرارة ومطابقة المعلمات الكهربائية.

الخطوة 1: تحديد المتطلبات الأساسية (شروط الإدخال)

قبل النظر في نماذج محددة، يجب تحديد "المؤشرات الأساسية" الثلاثة التالية لأنها تشكل أساس الاختيار:

درجة الحرارة المستهدفة (Tc) ودرجة حرارة الطرف الساخن (Th):

ما هي درجة الحرارة التي يجب أن يصل إليها الطرف البارد؟ (على سبيل المثال: -40 درجة مئوية)

ما هي أقصى قدرة لتبديد الحرارة للطرف الساخن؟ (عادة ما يتم تصميمها عند 25 درجة مئوية أو 50 درجة مئوية).

احسب فرق درجة الحرارة (ΔT): ΔT = Th – Tc. تُستخدم الرقائق متعددة المراحل عادةً في السيناريوهات التي يكون فيها ΔT > 70 درجة مئوية.

الحمل الحراري (Qc):

ما مقدار الطاقة (بالواط) التي يصدرها الجسم المراد تبريده؟

في حالة عدم التأكد، من الضروري حساب إجمالي الحرارة المتولدة من الجسم، بما في ذلك التسخين الداخلي، والحرارة الناتجة عن التوصيل، والحرارة الإشعاعية.

المساحة المتاحة ومصدر الطاقة:

قيود على حجم التركيب (الطول والعرض)؟

هل مصدر الطاقة ذو جهد ثابت (مثل 12 فولت، 24 فولت) أم تيار ثابت؟ ما هو الحد الأقصى للتيار؟

الخطوة الثانية: فهم المعايير الرئيسية (المؤشرات الأساسية)

توجد علاقة وثيقة بين خصائص وحدات بلتييه متعددة المراحل وأجهزة بلتييه متعددة المراحل. ركز على الخصائص الأربع التالية:

عدد المراحل (المراحل):

تُعدّ هذه السمة الأبرز لوحدات التبريد الكهروحرارية متعددة المراحل، وهي عناصر بلتييه. عادةً ما تتكون هذه الوحدات من مرحلتين أو ثلاث أو حتى ست مراحل.

قاعدة عامة: كلما زاد عدد المراحل، زاد فرق درجة الحرارة الممكن تحقيقه، ولكن تقل قدرة التبريد (Qc) ويرتفع السعر. عمومًا، يبلغ أقصى فرق في درجة الحرارة لمرحلة واحدة حوالي 60-70 درجة مئوية. إذا كانت درجة الحرارة المطلوبة -80 درجة مئوية أو أقل، فيجب اختيار وحدة بلتييه متعددة المراحل.

أقصى قدرة تبريد (Qmax):

يشير إلى أقصى قدرة على امتصاص الحرارة عندما يكون فرق درجة الحرارة صفرًا.

اقتراح للاختيار: تكون سعة التبريد الفعلية (Qc) أثناء التشغيل أقل بكثير من Qmax. يُنصح عمومًا بأن تكون Qmax من 1.3 إلى 2 ضعف الحمل الحراري الفعلي، مع ترك هامش لضمان الكفاءة وطول العمر الافتراضي.

أقصى فرق في درجة الحرارة (ΔTmax):

يشير إلى فرق درجة الحرارة النهائي الذي يمكن أن تحققه وحدة التبريد الكهروحرارية، عنصر بلتييه (عندما تكون سعة التبريد 0).

اقتراح للاختيار: يجب أن تكون قيمة ΔTmax المختارة أعلى بنسبة 10-20% من فرق درجة الحرارة الفعلي الذي تحتاجه.

الجهد والتيار (Vmax / Imax):

تتميز وحدة التبريد الكهروحرارية متعددة المراحل (TEC) بمقاومة داخلية عالية عادةً، وقد يكون الجهد الكهربائي مرتفعًا (مثل 24 فولت، 48 فولت، أو حتى أعلى)، بينما يكون التيار منخفضًا نسبيًا. تأكد من أن مصدر الطاقة لديك قادر على تشغيلها.

الخطوة 3: استخدام منحنى الأداء (المطابقة الدقيقة)

هذه هي الخطوة الأكثر أهمية. لا تعتمد فقط على القيم القصوى المذكورة في ورقة المواصفات!

أداء وحدة التبريد الكهروحرارية متعددة المراحل غير خطي.

حدد نقطة التشغيل: بالنسبة لفرق درجة الحرارة المستهدف (ΔT) وقدرة التبريد المستهدفة (Qc)، ارجع إلى الرسم البياني للمنحنى.

إيجاد التيار الأمثل (Iop): تحديد قيمة التيار المقابلة.

احسب معامل كفاءة الطاقة (COP): حاول تشغيل الوحدة الكهروحرارية في نطاق معامل كفاءة طاقة أعلى (عادةً ما بين 30% و50% من التيار الأقصى)، بدلاً من تشغيلها بكامل طاقتها. قد يوفر التشغيل بكامل الطاقة تبريدًا أسرع، ولكنه يُولّد حرارة زائدة ويتميز بكفاءة منخفضة للغاية.

الخطوة الرابعة: الهيكل والتركيب

وحدات التبريد الكهروحرارية متعددة المراحل (وحدات التبريد الكهروحرارية متعددة المراحل) أكثر هشاشة من وحدات التبريد الكهروحرارية أحادية المرحلة (وحدات بلتييه أحادية المرحلة). عند اختيار النوع، يجب مراعاة البنية الفيزيائية.

قيود الحجم:

لا يُنصح عمومًا بتصنيع وحدات تبريد بلتييه متعددة المراحل بأحجام كبيرة جدًا (مثل أكبر من 62×62 مم)، لأن المساحة الكبيرة جدًا قد تتسبب بسهولة في انحناء أو كسر الألواح الخزفية. ولتبريد الأسطح الكبيرة، يُنصح باستخدام وحدات بلتييه صغيرة الحجم موصولة على التوازي أو التوالي.

طريقة الاتصال:

التوصيل على التوالي: يُنصح به. التيار ثابت وسهل التحكم. في حال تلف أي قطعة، يمكن اكتشاف ذلك بسهولة (عن طريق انقطاع الدائرة).

التوصيل المتوازي: غير مستحسن. إذا تغيرت المقاومة الداخلية لأحد الأجزاء، فسيكون توزيع التيار غير متساوٍ، مما يؤدي إلى ظاهرة "تنافس التيار"، وبالتالي تسريع التلف.