【经验】以马洛TEC XLT2483为例,解析PCR仪升温和降温速率的计算

2022-07-09 世强
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随着新冠疫情持续爆发,全球对于PCR仪的需求也在不断加大,特别是某些地方突然爆发疫情则需要短时间内检测好几千万人,则这就对PCR仪的升降温速率提出了需求,所以目前越来越多的做PCR仪的厂家非常关注升降速率这个指标,那如何计算PCR仪的升降温速率呢,下面以XLT2483这款TEC为例来计算PCR仪的升降温速率。


如下图是XLT2483的性能参数:

根据帕尔贴效应建立在冷端的热平衡方程,可获得该处单位时间内外界进入的热量(制冷量)Qc为:

Qc=αNP T1 I – 0.5I2R – k(T2 – T1)

其中R为N、P电偶的电阻,αNP为N、P电偶臂的温差电动势总和,与制冷器的电偶臂对数有关;

I为通过回路的电流;

K为电偶臂的热阻总和;

αNP T1 I为冷端的帕尔帖吸收功率,0.5I2R为电路产生功耗,K(T2-T1)是冷端热传导到热端的功率。


当热负载为182W时,则Qc=αNP T1 I – 0.5I2R – k(T2 – T1)=182;

此时T1=27℃=300K,ΔT=T2-T1=0,I=13.5A,R=1.27Ω;

则Qc=300*13.5*αNP-0.5*13.52*1.27=182;

以上则得出αNP=0.0735


当热负载为0时,则Qc=αNP T1 I – 0.5I2R – k(T2 – T1)=0

此时T2=27℃=300K,T1=300-58=242K,ΔT=T2-T1=58K,I=13.5A,R=1.27Ω

则Qc=242*13.5*0.0735-0.5*13.52*1.27-58K=0,

以上可以得出K=2.145。

 

通过上面得到的K及αNP值,下面来计算PCR仪的升降温速率:

1、降温速率:

在PCR仪降温的状态下,若冷面温度为72℃(T1=345K,PCR仪降温的中间温度点),热面温度散热理想值27℃。

则其派尔帖吸热功率Q=αNP T1 I=0.0735*345*13.5W=342.326W;

电发热功率Q=0.5I2R=0.5*13.5*13.5*1.27W=115.729W;

热传导功率Q传=K(T2-T1)=2.145*(345-300)W=96.525W;

则PCR仪降温状态下在72℃的吸热功率为342.326-115.729+96.525=323.122W;

若此时XLT2483冷面热负载为40W左右时,

则其理想的降温速率V=323.122/40=8.08℃/s;

 

2、升温速率:

在PCR仪升温的状态下,若热面温度为72℃(T2=345K,PCR仪升温的中间温度点),冷面温度接近环境温度约27℃,

则其派尔帖吸热功率Q=αNP T1 I=0.0735*345*13.5W=342.326W;

电发热功率Q=0.5I2R=0.5*13.5*13.5*1.27W=115.729W;

热传导功率Q传=K(T2-T1)=2.145*(345-300)W=96.525W;

则PCR仪降温状态下在72℃的吸热功率为342.326+115.729+96.525=554.58W

若此时XLT2483热面热负载为40W左右时,

则其理想的降温速率V=554.58/40=13.86℃/s;

 

以上计算是比较理想情况下的一个参考值,PCR的实际升降温速率需要考虑的因素较多,需要具体来分析。


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