Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Für Basteleien, Messgeräte und physikalische Experimente.

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axonf
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Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen Samstag, es gibt ja sehr schöne Basteleien mit dem Peltierelement, ob kühlen heizen oder auch ne gerine Menge Strom produzieren. Ich habe ja noch einen nicht funktionierenden Pulsröhenkühler, da wäre ja so ein Peltierelement eine gute Möglichkeit, das ganze in Bewegung zu bringen. Ich denke so an einen Stack mit 5 Peltierelementen die aufeinander sitzen, unten das größte und oben das kleinste ähnlich wie bei einer Stufenpyramide. Das größte sitzt auf einem großen wassergekühlen Alu Klotz, kommt alles ins Vakuum. Ich habe schon gelesen das ein delta T von 146 Grad Celsius möglich sind, da wären wir auch schon bald beim flüssigen Stickstoff angelangt. Viele Grüße von axonf.
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Alexander470815
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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von Alexander470815 »

Das Problem ist das jedes Element Signifikant größer werden muss um die nächst kleinere Stufe überhaupt kühlen zu können.
Damit rennt man ganz Schnell in eine Sackgasse, nicht ohne Grund verwendet man sowas nicht.

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axonf
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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen Sonntag Muttertag, hallo Alexander auf Stoppi s Seite ist ein schöner Aufbau mit mehreren Peltierelementen, da kommt man schon auf - 64 Grad Celsius. Ich würde die Elemente nur mit Wärmeleitpaste klemmen und eben das ganze im Vakkum platzieren. Bei Marlow Materials gibts ja auch schon kleine Multistage Elemente, auch beim Fraunhofer gibts schöne Artikel zum Thema Heatpipes und Peltier Module. Ich würde vielleicht unten drei Elemente, in der Mitte zwei und oben eins nehmen , ganz oben kommt noch ein ganz kleines drauf. Man braucht eben auch ne schöne Stromrampe nach unten, sozusagen das oberste ist das leistungsschwächste. Wäre auch mal ne schöne Challenge, viele grüße axonf.
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Alexander470815
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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von Alexander470815 »

Der Gewinn je Stufe wird eben immer kleiner.
-64°C sind zwar kalt aber jetzt auch nicht wirklich Kryogen.
Die Frage ist eben was man vor hat, danach richtet sich dann die Auslegung.
Geht es nur darum auch Jux eine möglichst kalte Temperatur zu erzeugen ist das natürlich auch ein Ziel.
Bei gleichen Elementen und gleichem Betriebsstrom ist die Stufung eben nicht so 1, 2, 3 sondern eher 1, 4, 16 wenn man über jede Stufe die gleiche Temperaturdifferenz halten will.
Kommt natürlich immer auf die genauen Daten an aber wenn man sich mehrstufige käufliche Elemente anschaut dann wächst die Größe der Elemente deutlich stärker als eine Verdopplung.
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Norbi
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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von Norbi »

Frage ist halt wirklich wieviel Leistung man da noch abführt.

Bei -64° irgendwie vier Watt oder so mit einem Halben Kilowatt Peletierkühlung abzuführen ist zwar ganz nett aber ich habe das Gefühl dass selbst das Packet Trockeneis nach der Stromrechnung billiger wäre.

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axonf
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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen Sonntag Abend, ich denke mal irgendwann ist ja das Trockeneis alle, verdampft. Für Gasmesssysteme gibts ja auch schon Sorptionsfallen mit Peltiermodulen, da kommt es mehr auf eine genaue Temperatur an, als auf ne große Kühlleistung. Ich bin ja da nicht der Fachmann, finde es aber sehr interessant. Für mein flash joule heating Experiment, könnte ich auch ne ultraschnelle Kühlung gebrauchen, um Derivate möglichst schnell abzuscheiden . Es gibt ja viele Prozesse, wo es auf sehr hohe Kühlraten von über 1000 K pro s ankommt, wie zum Beispiel beim metallischen Glas. Vielleicht könnte man mit so einem Peltier Stack auch ne mini Kryopumpe bauen, muss ja nur die Rest Gas Moleküle einfrieren. Viele Grüße von axonf.
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Alexander470815
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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von Alexander470815 »

axonf hat geschrieben: So 8. Mai 2022, 20:48 da kommt es mehr auf eine genaue Temperatur an,
Und genau dafür taugt das auch, nicht für große Leistung.
Präzisionskühlung in ganz klein, für alles andere taugt das auch nicht.
Die Leistungsaufnahme wird irrsinnig groß und die Kühlleistung bleibt gering.

Spielen wir das doch mal hiermit durch: https://quickcool-shop.de/289/W%C3%A4rm ... 1.6-15.0MS
Annahme, wir betreiben jedes Element mit 8,2A, 30K Differenz und damit etwa 16V.
Das macht also 130W Leistungsaufnahme je Element, damit bekommen wir 80W Wärmepumpleistung.

Die erste Stufe kann also 80W leisten.
Die zweite Stufe muss damit 210W(80W+130W) abführen, macht also 3(2,65) Elemente.
Die dritte Stufe muss damit 630W abführen, macht also 8(7,8) Elemente.
Die vierte Stufe muss damit 1,68kW abführen, macht also 21 Elemente.
Am Ende müssen dann die 4,41kW gegen die Umgebung abgeführt werden, mit Wasserkühlung und großem Radiator gehen wie mal von 40°C an der warmen Seite aus.
4*30K = 120K
40°C-120K = -80°C bei 80W.

Das ganze ist natürlich etwas pessimistisch gerechnet da die Anzahl der Elemente immer aufgerundet wurde.
Die Spannung der kälteren Elemente dürfte auch immer geringer werden.
Also wird es real etwas mehr Differenz schaffen.

Selbst eine geringere Last auf der ersten Stufe verbessert das ganze kaum.
Statt der 210W müssen dann eben nur 130W abgeführt werden, macht für die zweite Stufe schon einen unterschied, für die nachfolgenden aber immer weniger.

Das ist einfach nichts für große Leistungen.
Um etwas kleines das kaum Wärme erzeugt im Vakuum kalt zu halten geht es, mehr aber auch nicht.

Kryopumpen machen üblicherweise 70K an der ersten Stufe und 20K an der zweiten Stufe.
Völlig astronomisch das mit so etwas zu erreichen.
Mein Gifford McMahon macht mit 2kW elektrisch 7W bei 20K und 25W bei 70K gleichzeitig.

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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen Tag, hallo Alexander wo du recht hast, haste recht, an der Effizienz eines GM Kaltkopf s kommt man nicht vorbei. Beim Onkel Rapp gibts auch ein schönes Beispiel eines GM Kryo Kühlers, dabei gilt die alte Weisheit, je kleiner desto einfacher , und desto mehr Erfolg beim Basteln. Mein erster Pulsröhren Kühler war auch ein ganz großer Flop, alles viel zu groß dimensioniert, zu große Volumina, zu wenig Frequenz und das Regenerator und Pulsrohr mit viel zu viel Wandstärke , da haste wohl ne irrsinnige Wärmeleitung. So richtig habe ich den Aufbau beim Rapp noch nicht verstanden, besonders was den Regenerator im Kolben angeht. Ich habe ja noch die Teile vom zweiten Pulsrohrkühler, dünnes Edelstahlrohr mit ca 0,2 mm Wandstärke, und die Ronden aus Kupfer und Edelstahlgaze. Ich finde den Betrieb mit Druckluft schon echt cool und einfach und wenn es bis 200 K gehe würde , wäre es mir auch gut. An der Peltier Geschichte werde ich mal drane bleiben, das ist mir mal ein Versuch Wert. Viele Grüße von axonf.

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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen Freitag Abend, Peltierelemente sind bestellt, Thermometer für 20 Euro auch, nur die richtige Wärmeleitpaste habe ich noch nicht gefunden, da gibts ja die unterschiedlichsten Rezepte, mit oder ohne Silkon, mit Ag und Au, oder auch mit Nano Graphit , ich denke am besten ist ne hohe Wärmeleitfähigkeit pus ein Temperaturbereich von minus 50 bis 200 Grad Celsius, und nicht all zu dick sollte die Paste sein, die Haltbarkeit spielt wohl ne untergeordnete Rolle. Eine andere Frage wäre auch noch, welche Flächenpressung brauche ich zwischen den Peltierelementen, bei 40 x 40 brauchts schon ein ordentliches Drehmoment, oder? Die Kühlplatte würde ich aus zwei Aluplatten machen, mit vielen Kanälen drin, bei 100 x100 mm mindestens 10 Stück. Viele Grüße von axonf.

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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen Abend, die low cost Peltier s sind jetzt endlich da, vielleicht sind diese erst in China gebacken worden, zumindest sind diese in Silikon eingedichtet. Ich würde dann 2 Stück 12706 auf einen Semipack 5 Kupferklotz montieren, darauf kommt ne 4 mm Aluplatte . Danach gehts ins Vakuum mit einem 12706, als nächstes bräuchte ich dann etwas viel kleiners, vielleicht ein 12702, das ist ja dann nicht mehr von der Stange und hat seinen Preis. Von der Leistung würde ich mich mal an Alexander s Vorschlag halten, 1 Stufe 2 x 40 -50 Watt , 2 Stufe 1 x 20 - 30 Watt und die letzte Stufe mit 5 Watt. Ich würde jedem Element so maximal 80 Prozent Leistung abverlangen, Hauptsache nicht so viel Strom. Ich habe mich jetzt für ne high end Wärmeleitpaste entschieden, mit 13,4 W/mK, gibts da eigentlich große unterschiede? Eine gute Nacht wünscht der axonf.

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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen Samstag Nachmittag, die Peltier s funktionieren, mit 2 Stück bei 9V komme ich mit 90 x 50 mm Kühlfläche auf minus 10 Grad Celsius, Kühlwasser ca 20 Grad Celsius, alles ist noch ungedämmt und nicht im Vakuum. Die Durchführung fürs Vakuum habe ich mit billig Epoxi vom Norma eingeklebt, ist nicht richtig fest geworden, dann doch lieber auf Uhu vertrauen. Ich werde es auch mal mit Eiswasser Kühlwasser ca. 3 Grad Celsius probieren. Habe auch einige mini Peltiers für 1 Euro ersteigert, 1,8 Watt, möchte gerne 4 Stück davon mit Woodsches Metall, Fiedsches Metall auf eine 20 x 20 mm Kupferplatte löten. Viele herzliche Grüße von axonf.
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VDX
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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von VDX »

... nimm besser Rose's Metall - braucht zwar 100°C zum Verflüssigen, aber deutlich weniger Toxisch, als Wood's oder Field's ;)

Viktor
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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen Sonntag Nachmittag, hallo VDX herzlichen Dank für den Post, auf Blei und Cadmium als Schwermetalle kann man ja verzichten. Die Vakuum Durchführung mit dem billig Epoxi ist nicht dicht geworden, an der Metall Paarung Kupfer PVC und Epoxi kann es wohl nicht liegen. Anschließend poste ich noch Bildchen vom Versuchsaufbau, mit ein paar Millimetern Mossgummi komme ich auf ein maximales delta T von 30 K, das ist ja noch ein bisschen wenig. Ich denke mit Eiswasser und dem Vakuum werde ich wohl mit der ersten Stufe auf minus 40 Grad Celsius kommen. Viele Grüße von axonf.
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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen Sonntag Abend, mit dem Eiswasser wars wohl nix, das Kühlwasser hatte mit den Eiswürfeln ca 2 Grad Celsius, auf dem Thermometer hatte ich schon 11 Grad, über eine Temperaturdifferenz von 30 k komme ich da einfach nicht. Vielleicht sollte das Experiment ganz im Vakuum ablaufen, um ne vorhandene Wärmeleitung ganz auszuschließen. Die Umwälzpumpe war ja auch etwas klein dimensioniert, 12V von Gardena Balkon Kasten Bewässerung. Viele Grüße von axonf und eine gute Nacht.
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Norbi
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Re: Kryogene Temperaturen mit dem Peltierelement

Beitrag von Norbi »

Bringt das Vakuum von so einer Drehschieberpumpe eigtl. überhaupt was um die Wärmeleitung durch das Restgas nennenswert zu vermindern? Ich meine mich erinnern zu können dass die Wärmeleitung vom Druck eigtl unabhängig ist und man schon ein ziemlich gutes Vakuum braucht damit sie nennenswert sinkt.

Vielleicht wäre ein Stück PIR-Dämmschaum ja eine bessere Wärmedämmung.
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