Термокамера (часть первая)

Вопрос термостабилизации порой стоит очень остро, поскольку множество компонентов имеют весьма значительный термо-коэффициент и при изменении температуры меняют свои параметры. Для целей наладки и тестирования довольно часто требуется построение термокамеры(термобокса).

Это бывает полезно в трех случаях: 1 — вычисление термо-коэффициента компонента/устройства, 2 — тестирование/калибровка в широком диапазоне температур, 3 — стабилизация температуры с высокой точностью.

Один из способов постройки такого бокса подсказал TiN (Illya Tsemenko, https://xdevs.com/) за что выражаю ему благодарность.

 

Для управления разницей температур внутри бокса и снаружи применяется TEC-модуль(элемент Пельтье). Всеобще известно, что при пропускании тока через TEC-модуль одна его сторона охлаждается, а другая нагревается. К сожалению мало кто знает, что при смене направления тока, охлаждающая и нагревающая сторона меняются местами. Это замечательный эффект дает возможность не только понижать температуру но и повышать ее, простой сменой полярности. Так-же надо помнить, что плавно управляя током через TEC-модуль можно столь-же плавно изменять производительность перекачки тепла с одной стороны модуля на другую.

В сети бытует множество легенд о TEC-модулях, в основном распространяемых обитающими там диванными-теоретиками и рукожопами. Мне посчастливилось столкнутся с некоторыми их них на форуме electronix.ru, где кстати недавно по моей просьбе мой аккаунт был удален(но это совсем другая история). Мы с вами-же не теоретики, а практики. Ну так давайте теорию немного нафаршируем практикой!

Начнем мы с вами с того, что постараемся прикинуть и построить теплообменную систему.

Теория:

Я проектировал систему на небольшую мощность 60 Ватт, поскольку построить ее достаточно просто и не слишком затратно. Расчетный дифферент температуры от которого я отталкивался составлял +-30K, чтобы можно было в плотную приблизится к коммерческому диапазону температур 0-70 гр.С. Далее я буду приводить много примеров размышлений на эту тему, которые помогали мне выбрать компоненты системы, это может быть полезным для понимания.

За основу было решено взять модуль Криотерм TB-127-1.0-0.8, он при подаче питания 12В/5А и разнице температур в 30 градусов обеспечивает производительность передачи тепла ~27 Ватт.

Проверим:

Расчетный ток 5А должен быть достигнут (69∆Tmax/30∆T=~43%∆T)

Производительность модуля при этом токе (5.9A Imax/5A Iwork=85% Imax) и разнице температур 30К составит примерно 27 Ватт.

А дальше вся теория дружно натыкается на серьезные многоступеначтые расчеты, заниматься которыми нет никакого смысла, в виду невозможности определения всех вводных. Поскольку есть проблема — температура холодной стороны будет ниже комнатной на желаемые 30К, только при том условии, что температура горячей стороны  будет равна комнатной, а это не выполнимо в виду огромного тепловыделения TEC-модуля: 60 Ватт питания преобразуемого исключительно в нагрев + 27 Ватт отнятого с холодной стороны тепла = 87 Ватт суммарного тепловыделения на горячей стороне модуля. Понимаете да? Что еще нет? тогда поясню — представьте себе малюсенькую керамическую пластинку размером 30*30мм которая адски жарит как 87 Ваттный паяльник, вот ее температура не должна подниматься выше комнатной, чтобы другая сторона модуля гарантированно остыла до ~0 гр.С. при условии что из охлаждаемого бокса надо забрать 27 Ватт тепла.

Неизвестных тут довольно много: чем и до какой температуры можно охладить горячую сторону модуля? какое колличество тепла надо забирать из бокса? сколько тепла будет паразитно передаваться с горячей на холодную сторону через систему крепления модуля?…. и т.д.

Исходя из всех этих размышлений и бюджета, для данного модуля была куплена система жидкостного охлаждения ID-Cooling FROSTFLOW X 240

Выбирал я ее по бюджету и по тестам, которые утверждают, что при установке на процессоры с выделением 110 Ватт тепла, температура ядра процессора возрастает на 30 градусов. С 87 ваттами в моем понимании она должна справляться немного лучше, предположительно дифферент должен составить 20градусов. Это значит что при заборе с холодной стороны 27 Ватт тепла, она охладится только до Tкомнатная+20-30= примерно +15 гр.С, при комнатной +25 гр.С.

Выбирать водянки больше не позволил бюджет задачи. А значит чтобы достичь искомого 0 гр.С надо понижать отбор тепла из бокса. Т.е. делать хорошую теплоизоляцию и не размещать в боксе источников тепла, поскольку ∆T модуля должна составлять не 30 градусов, а где-то около 50 градусов. При этом забор тепла холодной стороны составит около 12 Ватт.

Из них около 1 Ватта уйдет на работу вентилятора внутри бокса, который осуществляет конвекцию.

С нагревом все намного проще, при смене направления тока холодная сторона начинает адски жарить, по этому мы не будем вдаваться в расчеты этого процесса, к тому-же производитель не дает характеристик для данного случая, но они должны быть очень схожи с характеристикой охлаждения, только наоборот — охлаждается комната, нагревается бокс.

Практика:

На холодную сторону был закуплен небольшой куллер DeepCool HTPC-200, вентилятор у него потребляет совсем не много, менее 1 Вт, а значит паразитный нагрев бокса будет мал. Он-то и будет выполнять роль теплообменника в боксе.

В качестве термоинтерфейса была выбрана паста Arctic Cooling MX-4, она хорошо себя зарекомендовала.

Строение крепежа помпы оказалось весьма удачным, металлические ушки входят в пластиковые пазы, а значит теплообмен через крепеж будет минимизирован.

Сам-же крепеж я решил использовать штатный и на куллере и на помпе, поскольку перечень сокетов куда их можно устанавливать совпадает, то совпадают и отверстия крепежа. Применив пороставки куллер соединяется с помпой, зажимая TEC-модуль.

В качестве материала для термобокса были выбраны PIR-плиты, толщиной 30мм, покрытые алюминиевой фольгой.

Получилась вот такая конструкция:

Помпа была обмотана вспененным полиэтиленом, и полиамидным скотчем, чтобы минимизировать теплопередачу от нее в бокс и ее прямой обдув. а затем, она была обильно вклеена в бокс алюминиевым скотчем.

Термо-испытания при токе 4А(больше мой блок питания не дает) подтвердили что бокс обеспечивает диапазон от 4.5 до 70 гр.С при комнатной температуре 25 гр.С.

К сожалению достаточным образом герметизировать стык крышки у меня пока не вышло, там есть щели, но я работаю над этим.

Был заказан контроллер Arroyo 5305 для работы с боксом, продолжение следует.

UPD: Продолжение https://misrv.com/tecbox2/