Jak funguje Peltierův chladič?

Anotace. Článek zkoumal činnost termoelektrického chladicího prvku (Peltierův článek) v závislosti na různých podmínkách (napětí, přítomnost pasivního a aktivního odvodu tepla). Je ukázáno, že jak se napětí na prvku zvyšuje, jeho relativní účinnost klesá. Bylo prokázáno, že přítomnost pasivního (radiátorového) a zejména aktivního chladiče výrazně zvyšuje účinnost Peltierova článku.

Klíčová slova: Peltierův jev, Peltierův článek, termoelektrické chlazení, aktivní chlazení, pasivní chlazení

Otázka

Rok

Odkaz na článek

№1(1)

2016

Gnusin P.I. Studie účinnosti Peltierova prvku v různých provozních režimech // Video science: network journal. 2016. č. 1(1). URL: https://videonauka.ru/stati/13-tekhnicheskie-nauki/40-issledovanie-effektivnosti-elementa-pelte-pri-razlichnykh-rezhimakh-raboty (datum přístupu 19.06.2016).

Studie účinnosti Peltierova prvku v různých provozních režimech

Úvod

Termoelektrické chladicí prvky nebo Peltierovy prvky jsou široce používány pro chlazení malých prvků elektronických zařízení, jako jsou mikroprocesory, pole CCD a matice CCD; pro stabilizaci teploty koherentních zdrojů optického záření, aby se zabránilo jejich driftu, a v řadě dalších aplikací. Mezi jejich důležité praktické výhody patří malé rozměry a hmotnost, absence chladicích kapalin a možnost uchladit zařízení výrazně pod okolní teplotu.

Naneštěstí, i přes dobrou studii Peltierova jevu, je v praxi při vývoji chladicích systémů věnována malá pozornost otázkám souvisejícím s optimalizací jejich provozních režimů. To je z velké části způsobeno nedostatkem povědomí mezi vývojáři elektronických zařízení o hlavních vlastnostech termoelektrických chladicích systémů, v důsledku čehož je zpravidla vybrán prvek, který je z hlediska jmenovitých parametrů napájení nejblíže těm, které již byly zapojený do elektronického zařízení. V tomto případě je skutečně dosaženo maximálního možného teplotního rozdílu mezi chlazeným a ohřívaným povrchem termoelektrického článku, což však nezaručuje maximální účinnost chlazení a tím spíše nezaručuje maximální účinnost na jednotku elektrické energie. vynaložené na chlazení. Tato studie byla provedena za účelem optimalizace provozu sestavy termoelektrických prvků za podmínek omezeného přípustného příkonu a vývoje souvisejících technických řešení.

Experiment

Ke studii byl použit chladící modul model Storm -71 (TB -127-1,0-1,3) výrobce Kryotherm (St. Petersburg) s celkovými rozměry 40 mm ´ 40 mm ´ 3.6 mm. Prvkem byla plochá čtvercová deska s keramickými povrchy a vnitřní strukturou z polovodičových a keramických prvků se dvěma elektrickými kontakty. V tabulce Obrázek 1 ukazuje parametry modulu převzaté z datového listu zařízení a webových stránek výrobce [1] (přednostně byly dány parametry uvedené v datovém listu):

Charakteristika studovaného termoelektrického prvku.

Diferenční odpor, Ohm (při teplotě 295 K)

Maximální rozdíl teplot mezi vyhřívanou a chlazenou stranou (při teplotě vyhřívané strany T _г = 300 K), °C

Maximální chladicí výkon, W

Maximální provozní teplota, °C

Maximální napětí, V

Maximální proud, A

Když je na kontakty termoelektrického prvku přivedeno konstantní napětí, je teplota jeho stran určena dvěma konkurenčními procesy: uvolňováním Jouleova tepla ve vnitřní struktuře prvku (jehož intenzita je úměrná druhé mocnině proud protékající prvkem) a přenos tepla ze „studeného“ stavu prvku do „horkého“ vlivem Peltierova jevu (v tomto případě, když se změní polarita proudu procházejícího prvkem, „ studené“ a „horké“ strany mění místa). Konkurence těchto procesů nakonec určuje teplotu „studené“ strany prvku.

Během experimentu byly provedeny následující testy:

1. Měření proudově-napěťové charakteristiky (pro prvek bez odvodu tepla z horké strany)

2. Měření teplot studených a horkých povrchů v závislosti na podmínkách odvodu tepla (s pasivním chlazením; s aktivním chlazením).

Video z první části experimentu (bez odvodu tepla z horké strany) je uvedeno na začátku článku. V této části experimentu byl Peltierův prvek upevněn ve svislé poloze v drátěném rámu, aby se minimalizovaly tepelné toky přes stůl a upevňovací prvky.

Pasivní chlazení bylo prováděno hliníkovým chladičem vysokým 36 mm s válcovým jádrem o průměru 37 mm a 36 hliníkovými deskami, jejichž vzdálenost byla 1-4 mm. Celkové celkové rozměry radiátoru byly 85x85x36 mm. Peltierův článek byl umístěn pod jádrem chladiče. Radiátor byl přitlačen k Peltierovu článku vlastní vahou, nebyla použita žádná další tepelně vodivá pasta.

Aktivní chlazení bylo realizováno počítačovým ventilátorem (výrobce Minibe a, jmenovité napětí do 24V, maximální výkon 2,16 W, průměr ventilátoru 57 mm), napájeným ze stejného zdroje jako Peltierův článek, napětí 10 V. Proud vzduchu procházející přes ventilátor se během experimentu neměří.

Aby se minimalizovaly tepelné toky přes stůl a upevňovací prvky, byla sestava Peltierova prvku, chladiče a ventilátoru (pokud existuje) přišroubována k tenkému (0.5 mm) hliníkovému plechu na vzduchu tak, aby k němu byl připevněn pouze okraj plechu. se dotkl plochy. Ventilátor byl upevněn na horní ploše chladiče (experiment s aktivním chlazením).

Uspořádání prvků pro tři složky experimentu je znázorněno na obrázku 1.

a – prvek bez odvodu tepla z horké strany;
b – prvek s pasivním chlazením;
c — prvek s aktivním chlazením.

1 – Peltierův článek; 2 — drátěná zařízení; 3 — radiátor (radiátorové jádro je zastíněné); 4 — hliníková montážní deska; 5 – ventilátor.

Obrázek 1 – Schémata tří částí experimentu.
Horký povrch Peltierova prvku je zvýrazněn červeně, studený povrch je zvýrazněn modře, žluté body jsou místa měření teploty, šipky jsou obecné směry proudění vzduchu vytvářeného ventilátorem.

Obrázek 2 ukazuje fotografii experimentální sestavy s pasivním chlazením. Detaily konstrukce chladiče jsou jasně viditelné.

Obrázek 2 – Fotografie experimentální sestavy s pasivním chlazením.

Měření teploty bylo prováděno pomocí zapisovače SM-130 s miniaturním optickým teplotním senzorem OS 4210 vyrobeným společností Micron Optics. Senzor je vláknový světlovod s citlivým prvkem, zapuštěný pro účely ochrany do kovové trubice o průměru 1 mm a délce 2 cm Malé rozměry senzorů zajistily blízkost Peltierova prvku a minimalizovaly vliv v průběhu experimentu. V dostatečné vzdálenosti od instalačních prvků měřilo současně čidlo stejného modelu teplotu vzduchu v místnosti.

výsledky

Nejpodrobnější studie činnosti chladicího prvku byla provedena pro případ (a) (prvek bez chladiče). Experimentální zařízení je podrobně popsáno ve videu. Během experimentu bylo konstantní napětí na prvku zvyšováno v krocích po 1 V a po každém zvýšení byla měřena síla proudu a teplota zjištěná na prvku. Maximální hodnota napětí byla +5 V, aby se zabránilo přehřátí horké strany prvku. Je třeba poznamenat, že skutečného chlazení studené strany Peltierova prvku bylo dosaženo pouze při minimálním napětí (+1 V), protože při absenci účinných mechanismů pro odvod tepla z prvku je uvolňování Jouleova tepla i při malých hodnoty protékajícího proudu převažují nad Peltierovým jevem. Navzdory tomu byl teplotní rozdíl mezi „horkou“ a „studenou“ stranou prvku docela patrný. Obrázek 3 ukazuje naměřené teploty „horké“ a „studené“ strany jako funkci napětí na prvku a také závislost teplotního rozdílu a průměrné hodnoty ohřevu na napětí. Již zmíněná závislost je dobře viditelná – průměrná výhřevnost prvku roste kvadraticky s rostoucím napětím, zatímco teplotní rozdíl mezi „studenou“ a „horkou“ stranou lineárně roste vlivem Peltierova jevu.

Т_г – teplota na „horké“ straně;

Т_х – teplota na „studené“ straně;

Т_к – naměřená hodnota pokojové teploty;

Obrázek 3 – Hodnoty naměřené teploty během první části experimentu (a), porovnání naměřeného teplotního rozdílu na „horké“ a „studené“ straně prvku s nominální (b).

Skutečnost, že naměřená závislost rozdílu teplot na površích prvku na napětí (obrázek 3, b) prochází výrazně nad bodem odpovídajícím jmenovitým charakteristikám prvku, je podle našeho názoru způsobena malými rozměry prvku. senzory použité v experimentu, díky kterým je teplota v místě, kde je senzor umístěn, maximálně blízko teplotě ve středu odpovídajícího povrchu. Podle našeho názoru je velmi pravděpodobné, že při výrobě a továrním testování prvků byly použity mnohem větší měřiče, což vedlo k podhodnocení teploty horkého povrchu a nadhodnocení teploty studeného povrchu.

Další informace o prvku získané během experimentu jsou uvedeny na obrázku 4. Obrázek 4a ukazuje výslednou proudově-napěťovou charakteristiku prvku. Je vidět, že v rámci experimentu je charakteristika proud-napětí téměř lineární, i když s rostoucím napětím odpor prvku mírně roste, možná v důsledku jeho zahřívání.

Obrázek 4, b ukazuje teplotní rozdíl na „horkém“ a „studeném“ povrchu, vynesený v závislosti na elektrické energii spotřebované prvkem, a také jeho aproximaci pomocí kořenové závislosti (při aproximaci závislosti přímky na a dvojité logaritmické škále byla získána optimální hodnota stupně 0.552, která dobře souhlasí s kořenovou závislostí získanou porovnáním výrazů pro velikost Peltierova jevu a spotřebované el. moc). Pokles účinnosti prvku s rostoucí spotřebou energie je jasně patrný.

Obrázek 4 – Voltampérová charakteristika Peltierova článku (a) a závislost teplotního rozdílu na „horkém“ a „studeném“ povrchu na spotřebované elektrické energii (b).

Tato konkurence mezi uvolňováním Jouleova tepla (jehož velikost se rovná elektrické energii spotřebované termoelektrickým článkem) a Peltierovým jevem vede k tomu, že elektrická účinnost Peltierova článku výrazně klesá s rostoucím napětím a maximální hodnota provozního napětí se ukazuje jako relativně malá. To však nesvědčí o zásadně nízké účinnosti Peltierova článku jako chladiče (o kterém se zejména dokonce píše [2]), neboť ne vždy je vhodné provozovat článek v nominálním režimu, ve kterém jeho elektrická účinnost je minimální. Zejména, jak vyplývá z výsledků první části experimentu, při neefektivním odvodu tepla z „horké“ strany může být hodnota napětí odpovídající nejnižší teplotě „studené“ strany prvku výrazně nižší než nominální. Instalace více prvků do sestavy, z nichž každý pracuje při nižším než jmenovitém napětí, proto může být optimálním řešením, když je celkový elektrický příkon omezený.

Ve druhé části experimentu (schémata (b), (c) na obrázku 1) byla kvalitativně studována účinnost prvku pro různé konstrukce sestavy chladicího prvku, sestávajícího z chladiče a ventilátoru. Protože z geometrických důvodů nebylo možné umístit snímače do přímého kontaktu s povrchy prvku, byla v této části experimentu výrazně nižší přesnost stanovení teploty na površích prvku. Jednotnost rozmístění snímačů však v obou případech poskytla kvalitní výsledky pro vzájemné srovnání.

Pro dvě schémata chlazení prezentovaná na obrázku 1 b, c jsme měřili teplotu v radiátoru v blízkosti horkého povrchu a teplotu přímo pod montážní deskou v blízkosti studeného a také teplotu v místnosti (jako v první části experimentu jsou označeny T _г , T _х a T _к ) při napětí na prvku rovném +10 V. Kromě toho byla kvalitativně studována závislost teploty „studeného“ povrchu prvku na použitém napětí. U obou schémat (pasivní a aktivní chlazení) je při zvýšení napětí až na 10 V pozorován pokles teploty studeného povrchu (při zvýšení napětí v rozsahu alespoň 0-10 V se zvyšuje odvod tepla) . Výsledky druhé části experimentu jsou uvedeny v tabulce. 2.

Účinnost Peltierova prvku s různými konstrukcemi sestavy chlazení.

Množství ohřevu
“horká” strana

Množství chlazení
„studená“ strana

Rozdíl teplot v měřicích bodech