Prototipo di camera termostatata a celle Peltier

Prototipo di camera termostatata a celle Peltier

Caratteristiche tecniche e costruttive

La camera termostatata è progettata per portare ad un abbassamento della temperatura almeno fino a -10 °C all’interno di un contenitore in acciaio inossidabile di 2254 cm3 (14cm x 14cm x 11.5cm) riempito con liquido resistente al congelamento (ad esempio olio siliconico oppure soluzioni di glicole).

Contenitore

Scatola in acciaio inossidabile di forma quadrata con dimensioni 14cm x 14cm x 11.5cm. Il fondo in acciaio è fissato alla base in PVC, spessa 10 mm, attraverso 4 viti che hanno il duplice scopo di evitare spostamenti della scatola e di assicurare il contatto con il sistema di raffreddamento posto a contatto col fondo. Lateralmente il contenitore è sostenuto dal sistema di dissipazione del calore in alluminio e PVC che verrà descritto in seguito.

Il coperchio è schiacciato sui bordi superiori della scatola metallica da 4 viti a farfalla che assicurano la chiusura del sistema. È costruito in PVC di 10 mm di spessore e presenta una finestra trasparente posta centralmente, per permettere di vedere l’ interno della camera durante l’abbassamento delle temperature.

Inoltre il coperchio è predisposto per permettere l’inserimento dell’ olio nella camera attraverso un foro.

La tenuta termica della camera termostatata è migliorata da alcuni strati di isolante a celle chiuse incollato sui lati non occupati dal sistema di dissipazione del calore.

Sostegno sensori di spostamento

Lateralmente al contenitore su due lati opposti, sono predisposti due sostegni filettati per l’ancoraggio di sensori (ad esempio LVDT). I sostegni laterali sono progettati per adattarsi ad una trave in acciaio inossidabile con aggancio regolabile. Il fissaggio del sensore avviene avvitando la vite laterale, presente sul porta sensore, che causa la riduzione del diametro di un anello in acciaio che schiacciandosi ancora il sensore.

L’alimentazione del sistema di raffreddamento viene trasmessa da cavi con conduttori in rame a sezione 0.75 mm2 e le diramazioni sono ospitate da una scatola di sicurezza in materiale plastico che protegge da possibili cortocircuiti (in ogni caso l’alimentatore è protetto da eventi di questo tipo e interrompe l’erogazione di corrente). I cavi corrono all’esterno del contenitore in acciaio inossidabile e fra i reservoir di raffreddamento in allumino, fino alle celle di Peltier. L’alimentazione del sistema è assicurata da due alimentatori a tensione variabile 8-15 Vdc fino ad un’intensità massima di 20 A (per il funzionamento di questi ultimi si rimanda al manuale del produttore).

Gli alimentatori presentano delle uscite elettriche, per connettore a banana, di colore rosso (collegamento del polo positivo) e nero (collegamento del negativo). Gli stessi attacchi si trovano sulla scatola in plastica che ospita le connessioni elettriche interne. I collegamenti elettrici sono predisposti sullo strumento Tecnopenta esattamente come le uscite degli alimentatori, quindi: connettere, con il cavo di sicurezza in dotazione, l’attacco rosso in alto a destra della camera con quello in alto a destra sul primo alimentatore, quello in basso a destra con quello in basso a destra dell’alimentatore e così via. La potenza erogata può essere gestita dall’operatore.

Collegmenti_camera_peltier
Collegmenti elettrici camera termostata

Sistema di abbattimento della temperatura

Il principio di abbattimento della temperatura sfrutta le proprietà termiche delle celle di Peltier. A grandi linee le celle di Peltier sono piastre con una struttura particolare che se opportunamente alimentate trasferiscono calore da una faccia all’altra attraverso una sorta di pompa di calore elettronica. La camera termostatata è equipaggiata con 12 celle peltier divise in 3 gruppi da quattro e posizionate quindi, sul fondo e su due pareti laterali. La loro “faccia fredda” è in contatto con le pareti della camera metallica mentre la “faccia calda” è in contatto con un sistema di dissipazione del calore costituito da reservoir di alluminio dove viene fatta circolare acqua (descritto in seguito). Il contatto delle facce è migliorato dall’utilizzo di pasta termoconduttiva.

peltier
Cella Peltier

Sistema di dissipazione del calore

La faccia calda delle celle Peltier non deve scaldarsi troppo per due motivi, il primo è che questo impedirebbe al sistema di raffreddare l’interno della scatola di acciaio e il secondo è che potrebbero danneggiarsi le plastiche e i cavi. Le facce più esterne delle Peltier poggiano quindi su dei dissipatori in alluminio all’interno dei quali viene fatta circolare acqua che assicura una rapida ed efficiente dissipazione del calore. A funzionamento normale, la temperatura del dissipatore deve essere simile a quella dell’acqua immessa. I collegamenti del sistema di circolazione dell’acqua sono facilmente smontabili perché le connessioni sono tutte di tipo ad attacco rapido. La presenza dell’acqua è monitorata da un sensore di tipo freatimetrico che fa suonare un allarme se si alimenta il sistema senza far circolare il liquido di raffreddamento. La sensibilità del sensore può essere regolata in base alla conducibilità del liquido utilizzato.
L’entrata dell’acqua nell’impianto di circolazione deve avvenire dal raccordo idraulico ad innesto collocato sul lato opposto a quello con la scatola grigia di derivazione, mentre l’acqua esce dal connettore di tipo rapido, rosso di grandi dimensioni sullo stesso lato. Tutti gli altri raccordi rapidi hanno semplicemente lo scopo di distribuire il liquido di raffreddamento ai reservoir.

cella termostatata
Cella Termostatata

Sistema di inserimento sensori di temperatura

La camera termostatata è predisposta per permettere la misura della temperatura su vari livelli con 4 sonde di temperatura poste su uno dei lati verticali (lato ovest). Le sonde sono ospitate e sigillate all’interno di un tubo in ottone di diametro 4 mm che una volta inserito correttamente nella camera preme su due o – ring e impedisce l’uscita del liquido all’interno.

Per ottenere il giusto posizionamento delle sonde all’interno della camera si devono eseguire in sequenza le seguenti operazioni:

  • 1 inserimento primo o – ring e dado di tenuta esterno sul tubo in ottone
  • 2 inserimento del tubo nella camera con l’o – ring fra parete e dado
  • 3 fissaggio dado esterno
  • 4 lavorare ora sul lato interno della camera e inserire l’ o – ring e poi il dado di tenuta
  • 5 fissare il dado di tenuta

Il fissaggio dei dadi deve essere effettuato a mano senza utilizzare pinze o simili.

A questo punto ambedue gli o – ring sono schiacciati contro la parete piatta delle viti di tenuta, sui due lati della camera e assicurano una doppia tenuta.

Accessori

Gli accessori presenti sono: un porta campione di tipo a treppiede di altezza regolabile e un sistema di dissipatori per la diffusione delle temperature all’interno della camera termostatata. Il sistema di dissipatori va posizionato ad incastro all’interno della camera termostatata e le istruzioni per il posizionamento sono contenute in un video presente nel CD consegnato con il sistema.

Parte delle informazioni ottenute dalla ricerca scientifica per cui questa strumentazione è stata utilizzata sono consultabili a questo link:

https://www.witpress.com/Secure/elibrary/papers/STR17/STR17018FU1.pdf