ANALIZA PRACY WENTYLATOROWEGO UKŁADU CHŁODZENIA Z OGNIWEM PELTIERA

DOI 10.21008/j.1897-0737.2017.89.0028

__________________________________________

* Politechnika Poznańska.

Wiesław ŁYSKAWIŃSKI*

Milena KURZAWA*

Wojciech SZELĄG*

ANALIZA PRACY WENTYLATOROWEGO UKŁADU CHŁODZENIA Z OGNIWEM PELTIERA

W artykule przedstawiono opracowany układ chłodzenia z ogniwem Peltiera. Opi- sano budowę i zasadę działania modułu Peltiera z uwzględnieniem najistotniejszych zjawisk. Przedstawiono zbudowany prototypowy układ chłodzenia, w którym oddawa- nie i pobieranie ciepła z modułu jest wymuszone przez wentylatory. Zaprezentowano wybrane wyniki badań eksperymentalnych.

SŁOWA KLUCZOWE: moduł Peltiera, układ chłodzenia, zjawiska Seebecka i Peltiera

1. WSTĘP

Obecnie, prowadzone są intensywne badania nad materiałami termoelek- trycznymi oraz możliwościami ich wykorzystania. Materiały termoelektryczne stosuje się m.in. w ogniwach Peltiera. Ogniwa te wykorzystuje się najczęściej w specjalnych układach chłodzenia, dla których nie jest istotna niska sprawność układu. Zaletą małych przenośnych układów chłodzenia z ogniwami Peltiera jest ich łatwa skalowalność oraz brak wpływu orientacji przestrzennej ogniwa na poprawną pracę systemu.

Aktualnie ogniwa Peltiera są często stosowane w lodówkach turystycznych, które umożliwiają schładzanie jej wnętrza o około 18 [°C] poniżej temperatury otoczenia. Chłodziarki termoelektryczne mogą być używane, tam gdzie kon- strukcje systemów lub wymagania ekologiczne nie pozwalają na wykorzystanie standardowych technologii chłodzenia.

Moduły Peltiera wykorzystywane są również do budowy pomp ciepła i układów chłodzących [2]. Kolejne ważne zastosowania obejmują medycynę, w szczególności kriochirurgię, np. chirurgię gałki ocznej, zamrażanie tkanek, chłodzenie preparatów biologicznych przy ich przechowywaniu i transporcie.

Na bazie ogniw Peltiera produkowane są również układy chłodzące używane do stabilizacji temperaturowej komponentów elektronicznych, np. do chłodzenia

procesorów, noktowizorów, diod laserowych, a także w wymrażarkach próż- niowych i innych miniaturowych urządzeniach wymagających obniżonej tem- peratury. Często tego typu układy mają za zadanie dostarczenie zimnego kon- centratu (płynu) do schładzania elementów generujących ciepło. Wadą takiego rozwiązania jest konieczność stosowania dodatkowej pompy tłoczącej płyn.

Pojawiają się również układy wykorzystujące zjawisko Peltiera w sporcie i re- kreacji , np. do chłodzenia kasków. Zjawisko termoelektryczne znajduje też zastosowanie do wytwarzania zmiennego w czasie pola temperaturowego np.

w kalorymetrii peltierowskiej.

Moduły Peltiera mogą również pracować jako termogeneratory umożliwia- jące pozyskanie energii elektrycznej z niewykorzystanej energii cieplnej:, np.

w pojazdach samochodowych, statkach, z odpadowego ciepła w hutach, rafine- riach, cementowniach, spalarniach śmieci oraz konwersji energii z naturalnych źródeł, tj. energii geotermalnej, słonecznej [4, 7]. Budowane są termogeneratory przystosowane do zamieniania ciepła odpadowego na prąd elektryczny w wa- runkach domowych. Tego typu układ zamontowany jest na piecu grzewczym, ma moc do 45 W przy napięciu 24 V DC. Maksymalna temperatura pracy tego układu to 450 °C.

Obserwuje się coraz większe zapotrzebowanie na tanie i niezawodne urzą- dzenia do przetwarzania energii nieelektryczną na energię elektryczną w prze- myśle, gospodarstwie domowym [1, 3, 5, 8], medycynie, wojsku [4] oraz w badaniach przestrzeni kosmicznej [9].

W niniejszym artykule przedstawiono opracowany przez autorów układ chłodzenia z ogniwem Peltiera. Przewiduje się wykorzystywanie tego typu układów do poprawy komfortu termicznego w otoczeniu użytkownika.

2. OGNIWO PELTIERA – BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA Działanie półprzewodnikowych modułów termoelektrycznych, nazywanych ogniwami (modułami) Peltiera wynika z pięciu podstawowych zjawisk fizycz- nych. Najważniejsze z nich to zjawisko Peltiera, które polega na wydzielaniu lub pochłanianiu ciepła przez złącze różnych metali lub półprzewodników pod- czas przepływu przez to złącze prądu elektrycznego. Ilość wydzielanego lub pochłanianego ciepła jest proporcjonalna do natężenia prądu i zależy od zasto- sowanych materiałów. Jeżeli złącze wykonane jest z dwóch różnych metali, to ta ilość ciepła jest bardzo mała. Z tego względu w praktycznych zastosowaniach wykorzystuje się inne materiały, zazwyczaj półprzewodniki odpowiednio do- mieszkowane, np. tellurek bizmutu (Bi2Te3). Jednak i w tym przypadku ilość ciepła wydzielanego lub pochłanianego na pojedynczym złączu nie jest zbyt duża. Aby zwiększyć moc cieplną należy radykalnie zwiększyć natężenie prądu

(możliwe w ograniczonym zakresie), albo zastosować większą liczbę takich ogniw.

Ciepło ΔQP wydzielane lub pochłaniane przez złącze podczas przepływu ła- dunku elektrycznego q można opisać równaniem:

t I q

Q_P  

 (1)

gdzie: Π – współczynnik Peltiera zależny od właściwości materiałów tworzą- cych złącze, I – natężenie prądu płynącego przez to złącze w czasie Δt.

Ze wzoru (1) wynika, że efekt cieplny nie zależy od wymiarów geometrycz- nych złącza, ale jest proporcjonalny do natężenia prądu.

Na rysunku 1 przedstawiono budowę i wyjaśniono zasadę działania modułu Peltiera, który składa się z dwóch płytek ceramicznych, pomiędzy którymi umieszczono wiele półprzewodnikowych kolumienek typu n i p. Pod względem elektrycznym półprzewodniki są połączone szeregowo (za pomocą miedzianych płytek), a pod względem cieplnym – równolegle. Płytki ceramiczne zapewniają sztywność mechaniczną oraz są doskonałą izolacją elektryczną i dobrze prze- wodzą ciepło.

Przepływający przez moduł Peltiera prąd wywołuje transport ciepła z jednej jego powierzchni na drugą. Zatem moduł ten jest pewnego rodzaju pompą transportującą ciało w kierunku zależnym od kierunku prądu.

Rys. 1. Budowa i zasada działania modułu Peltiera

Na parametry modułu Peltiera negatywnie wpływają takie zjawiska jak efekt Joule'a oraz zjawisko przewodzenia ciepła. Efekt Joule'a –polega na wydziela- niu się ciepła ΔQ_J podczas przepływu I prądu przez przewodnik o niezerowej rezystancji R w czasie Δt:

t I R

Q_J  

 ² (2)

Pod względem elektrycznym moduł Peltiera składa się z wielu szeregowo połączonych złącz p–n o niezerowej rezystancji. Wydzielane na tych rezystan- cjach straty mocy powodują wzrost temperatury modułu.

W module Peltiera dąży się do najskuteczniejszego transportu ciepła pomię- dzy stroną chłodną i gorącą modułu. Dla danego modułu "możliwości transpor- towe" ciepła związane ze zjawiskiem Peltiera są wprost proporcjonalne do natę- żenie prądu. Jednak przepływ prądu powoduje wydzielenie się w na wspomnia- nych wyżej rezystancjach pewnej ilości ciepła Joule'a. Zatem, przy danym prą- dzie moduł transportuje ciepło użyteczne opisane równaniem (1) oraz powstają- ce w module ciepło Joule'a. W miarę zwiększania prądu, liniowo rośnie trans- port ciepła Peltiera, a proporcjonalnie do kwadratu prądu (P = I²R) zwiększa się ilość ciepła Joule'a. Ciągły wzrost natężenia prądu w ogniwie doprowadzi do stanu, w którym ilość transportowanego pożytecznego ciepła Peltiera będzie równa ilości szkodliwego ciepła Joule'a. Przy takim prądzie Ig strona zimna ogniwa nie będzie już pobierać ciepła z zewnątrz, bo wszystkie "możliwości transportowe" modułu będą wykorzystywane na wypompowanie z modułu cie- pła szkodliwego. Ilustruje to wykres na rys. 2. Prosta QP reprezentuje "możli- wości transportu ciepła", a krzywa QJ – ilości ciepła Joule'a. Rzeczywiste moż- liwości transportu ciepła "użytecznego", z jednej strony modułu na drugą (czyli moc chłodzenia QC), są więc różnicą "możliwości transportowych" i szkodliwe- go ciepła Joule'a. Z krzywej QC wynika, że nie można nadmiernie zwiększać prądu I, bowiem powyżej wartości Imax rzeczywista skuteczność chłodzenia zmniejsza się, a powyżej prądu granicznego I_g moduł wcale nie będzie chłodził – obie strony będą się grzać, z tym że jedna strona będzie gorętsza od drugiej.

Dla każdego modułu Peltiera określa się prąd maksymalny Imax, którego nie należy przekraczać, bo pogorsza się uzyskiwany efekt chłodzenia. Wartość prądu I_max jest jednym z najważniejszych parametrów modułu Peltiera.

Krzywa QC nie uwzględnia zjawiska polegającego na przewodzeniu ciepła w obszarze modułu. Strumień ciepła przepływający ze strony gorącej na zimną zależy od różnicy temperatur oraz od wartości przewodności cieplnej materiału półprzewodnika. Zjawisko przewodzenia ciepła nie występuje, gdy obie strony modułu mają jednakową temperaturę. Mechanizm przewodzenia ciepła zużywa część "możliwości transportowych" układu na "wypchnięcie" tego ciepła z po- wrotem na stronę gorącą. Jest to drugie szkodliwe zjawisko wpływające na efektywność zamiany energii elektrycznej na energię cieplną.

Przy prądzie I_max oraz różnicy temperatur T_max suma szkodliwego ciepła przewodzenia i ciepła Joule'a będzie równa możliwościom transportu ciepła na stronę gorącą modułu. Zatem cała użyteczna "moc Peltiera" zostanie zużyta wyłącznie na wypompowanie szkodliwego ciepła z wnętrza modułu. Dla takie- go stanu pracy uzyskuje się największą różnice temperatur obu stron modułu, czyli praktycznie najniższą możliwą do uzyskania temperaturę strony zimnej.

Przy wzroście prądu temperatura strony zimnej zacznie wzrastać. Dla obecnie produkowanych typowych modułów maksymalna różnica temperatur T_max jest rzędu 60...75°C. Przy zastosowaniu modułów do chłodzenia, temperatura strony

zimnej zależy przede wszystkim od temperatury strony gorącej, a ta zależy od skuteczności oddawania ciepła do otoczenia.

Rys. 2. Wykresy charakteryzujące pracę modułu Peltiera

Kolejnym ważnym parametrem ogniwa jest maksymalna wydajność chło- dzenia, czyli maksymalna zdolność odprowadzania ciepła strony zimnej QCmax, jaką można uzyskać przy prądzie I_max i zerowej różnicy temperatur między po- wierzchniami modułu. Taka sytuacja ma miejsce w chwili włączenia prądu. Po włączeniu prądu wzrasta różnica temperatur między stronami modułu, a więc moc chodzenia strony zimnej maleje. W celu uzyskania jak najlepszej skutecz- ności chłodzenia, temperatura strony gorącej powinna być jak najniższa. Klu- czową kwestią jest zatem jak najlepsze odbieranie ciepła ze strony gorącej.

W tym celu stosuje się efektywne radiatory, najlepiej chłodzone wodą lub z wymuszonym chłodzeniem powietrznym. Nierealne jest osiągnięcie katalo- gowych wartości QCmax odprowadzanego ciepła i temperatury Tmax. Duże moce chłodzenia, bliskie QCmax, uzyskuje się tylko przy niewielkiej różnicy tempera- tur T. Znaczne różnice temperatur, zbliżone do Tmax można osiągnąć tylko przy bardzo dobrej izolacji cieplnej obiektu chłodzonego, czyli przy niewielkiej mo- cy chłodzenia.

Pozostałe dwa zjawiska wpływające na sprawność procesu chłodzenia to efekty Seebecka i Thomsona. W układach chłodzenia mają one mniejsze zna- czenie. Zjawisko Seebecka polega na generowaniu siły elektromotorycznej między złączami wykonanymi z dwóch różnych materiałów A i B, przewodzą- cymi prąd elektryczny. Jeżeli te złącza mają różne temperatury, to różnica po- tencjałów między złączami jest opisana równaniem:

 



V_S  _A _B 

   (3)

gdzie: A i B to współczynniki Seebecka odpowiednio dla materiałów A i B tworzących złącza (dla metali i ich stopów wartości są rzędu dziesiątek mV/K,

a dla półprzewodników są one o rząd, a nawet dwa większe), a T1 i T2 tempera- tury złączy.

Zjawisko Seebecka powoduje zmianę wartość prądu w funkcji napięcia w zależność od różnicy temperatur obydwu stron modułu. Przy rosnącej różnicy temperatur i zadanym napięciu zasilania następuje wartość tego prądu maleje.

Zjawisko Thomsona polega na generowaniu lub pochłanianiu ciepła Q_T podczas przepływu prądu przez przewodnik, w którym występuje gradient tem- peratury dT/dx.

dx IdT dT

dQ

T

T  (4)

gdzie: T – współczynnik Thomsona, który powiązany jest ze współczynnikiem Seebecka [6] zależnością:

dT T d

T

   (5)

To pożyteczne zjawisko ma niewielki wpływ na pracę modułu Peltiera . Z przeprowadzonych rozważań wynika, iż materiał użyty do budowy ogniw powinien mieć jak najmniejsze wartości rezystywności i przewodności cieplnej oraz jak najlepsze właściwości związane ze zjawiskiem Peltiera. Wymagania te są wzajemne sprzeczne, gdyż dla uzyskania jak najmniejszej rezystancji modu- łu, kolumienki z półprzewodników powinny mieć jak największy przekrój i być jak najniższe. Takie proporcje prowadzą jednak do ułatwienia przewodzenia ciepła ze strony gorącej na zimną. Dla zmniejszenia skutków tego przewodnic- twa należałoby zastosować kolumny wysokie i cienkie. Konstruktorzy modułów Peltiera stosują rozwiązanie kompromisowe.

Przydatność materiału do budowy ogniw Peltiera określa współczynnik R k

Z a

2

 (5)

gdzie a – współczynnik związany z transportem ciepła, R – rezystancja, k – przewodność cieplna kolumienek. Stała Z charakteryzuje globalną jakość modułu – czym wartość tego współczynnika jest większa, tym lepsze są właści- wości termoelektryczne materiału. Wartość tego parametru jest wykorzystywana do porównania jakości modułów różnych producentów.

3. STANOWISKO BADAWCZE

Głównym elementem opracowanego układu chłodzenia jest moduł Peltiera.

Do obydwu jego stron przymocowane są radiatory poprzez pastę termoprzewo- dzącą oraz kostki miedziane (rys. 3). Radiatory zapewniają dobre przekazywa- nie ciepła z obu powierzchni ogniwa Peltiera do strumienia powietrza wydmu- chiwanego przez wentylatory (rys. 4).

Rys. 3. Elementy połączone z ogniwem Peltiera pastą termoprzewodzącą

Rys. 4. Elementy odprowadzające energię cieplną z obu stron ogniwa Peltiera

Elementy składowe zaprojektowanego układu chłodzenia pokazano na rys. 5. Element styropianowy, w którym umieszczono moduł Peltiera i kostki wykonane z miedzi, izoluje ciepłe powietrze od zimnego.

Rys. 5. Widok podzespołów układu chłodzenia

Powietrze zasysane jest przez otwory wycięte na wysokości radiatorów. Inten- sywność przepływu chłodzącego powietrza można regulować poprzez zmianę napięcia zasilającego wentylator po zimnej stronie.

Zbudowany układ chłodzenia przedstawiono na rys. 6. Powietrze wydmu- chiwane z lewej strony układu może chłodzić, a z prawej nagrzewać otoczenie użytkownika. Zwiększenie napięcia zasilania wentylatora po ciepłej stronie ogniwa Peltiera powoduje zwiększenie intensywności oddawania ciepła do oto- czenia.

Rys. 6. Zbudowany wentylatorowy układ chłodzenia

4. WYNIKI BADAŃ

Opracowany i zbudowany układ chłodzenia został przebadany. Zarówno wentylatory jak i moduł Peltiera zasilano z zasilaczy prądu stałego o regulowa- nym napięciu. Dla wybranych napięć zasilających moduł rejestrowano zmiany temperatury na radiatorach. Uzyskane przebiegi temperatury strony zimnej i ciepłej układu dla zadanych napięć zasilania modułu Peltiera przy stałych war- tościach prędkości obrotowej wentylatorów pokazano na rys. 7. Na podstawie zarejestrowanych w stanie ustalonym temperatur po ciepłej (Tc) i zimnej stronie (Tz) układu wyznaczono - zależność temperatur od napięcia zasilania, prądu i mocy elektrycznej pobieranej przez moduł Peltiera (rys. 8).

a) b)

Rys. 7. Przebiegi zmian temperatury po (a) zimnej stronie Tz i (b) ciepłej stronie Tc modułu Peltiera

Na podstawie charakterystyk pokazanych na rys. 7 można stwierdzić, że w opracowanym układzie chłodzenia stabilizacja temperatury na obu po- wierzchniach modułu Peltiera następuje po upływie ok. 2 min. Dalsze wydłuże- nie czasu pracy modułu powoduje nieznaczne zmiany temperatury.

a) b)

c)

Rys. 8. Zmiany temperatura Tc po ciepłej i Tz po zimnej stronie modułu Peltira w funkcji (a) napięcia, (b) prądu, (c) mocy

Wykonane badania potwierdziły skuteczność działania zbudowanego układu chłodzenia. Temperatura na wylocie układu spadła o ponad 5^oC w odniesieniu do temperatury otoczenia. Wyraźne zmniejszenie temperatury można zaobser- wować na rozkładach temperatury zarejestrowanych kamerą termowizyjną (rys. 9) jak również na przebiegach temperatury (rys. 7).

Rys. 9. Rozkład temperatury po zimnej stronie wentylatora

5. WNIOSKI

Analizowano pracę układu, w którym do schładzania powietrza wykorzysta- no moduł Peltiera. Do odprowadzania ciepła z gorącej i zimnej strony modułu Peltiera wykorzystano radiatory i wentylatory stosowane w sprzęcie kompute- rowym. Takie rozwiązanie obniżyło koszty wykonania układu poprzez wyko- rzystanie podzespołów komputerów złomowanych.

Przeprowadzone badania wskazują na wyraźne obniżenie temperatury na wylocie układu chłodzenia dochodzące do 7 ^oC. Wzrost mocy dostarczanej do modułu Peltiera w zakresie od 0 do ok. 20 W powodował zmniejszanie tempe- ratury powietrza wylotowego. Dalszy wzrost tej mocy prowadził tylko do inten- sywniejszego nagrzania się strony ciepłej ogniwa Peltiera. Dalsze obniżenie temperatury strony zimnej jest możliwie po zastosowaniu intensywniejszego odprowadzania ciepła ze strony gorącej ogniwa. Prowadzi to do zmniejszenia różnicy temperatur pomiędzy powierzchniami modułu Peltiera i lepszego wyko- rzystania doprowadzonej do niego mocy elektrycznej.

Stwierdzono, że opracowany układ chłodzenia spełnia stawiane przed nim wymagania. Daje poczucie komfortu termicznego poprzez lokalne obniżenie temperatury. Przepływ powietrza zimnego można kontrolować przez regulację prędkość wentylatora. Temperatura powietrza wylotowego może być dodatko- wo obniżona poprzez zastosowanie kaskady złożonej z kilku ogniw Peltiera i poprawę systemu wymiany ciepła z otoczeniem.

Zaproponowany system jest uniwersalny. Można go stosować zarówno do chłodzenia jak i lokalnego ogrzewania otoczenia użytkownika. Zastosowane wentylatory zapewniają szybki transport energii cieplnej do zadanej przestrzeni.

Urządzenie jest ciche i ekologiczne – brak jest sprężarki i szkodliwego dla śro- dowiska czynnika chłodzącego. Należy jednak pamiętać, że nie w każdych wa- runkach temperaturowych układ będzie pracował poprawnie. Materiały termo- elektryczne mają temperaturę krytyczną, po przekroczeniu której stają się bezu- żyteczne. Maksymalną efektywność cieplną układu uzyskuje się w stosunkowo wąskim zakresie temperatur. Szacuje się, że w tego typu układach, przy wyko- rzystaniu typowych ogniw Peltiera możliwe jest uzyskanie temperatur z prze- działu od 0 do 70 °C.

LITERATURA

[1] Andrew V. Wagner, Ronald J. Foreman, Leslie J. Summers, Troy W. Barbee Jr., Joseph C., Farmer Fabrication and testing of thermoelectric thin film devices, Proc. 15th Int. Conf. on Thermoelectrics, 1996, p. 269–273.

[2] Jaworski M., Bednarczyk M., Czachor M., Experimental investigation of thermoelectric generator (TEG) with PCM module. Applied Thermal Engineering 96, 2016, p. 527–533.

[3] Manikadan S., Kaushik S.C., Thermodynamic studies and maximum power point tracking in thermoelectric generator–thermoelectric cooler combined system, Cryogenics – Elsevier 04/2015, Vol. 67, p. 52–62.

[4] Markowski P., Właściwości termoelektryczne kompozytów grubowarstwowych, Politechnika Wrocławska, 2008.

[5] Min G., Rowe D.M., A novel principle allowing rapid and accurate measurement ofa dimensionless thermoelectric figure of merit, Measurement Science and Technology 8/2001, Vol. 12, No 8, p. 1261–1262.

[6] Rowe D.M., Thermoelectrics Handbook – Macro to Nano, Taylor and Francis, CRC Press 2006.

[7] Twaha S., Zhu J., Yan Y., Li B., A comprehensive review of thermoelectric technology: Materials, applications, modelling and performance improvement, Renewable and Sustainable Energy Reviews – Elsevier, Vol. 65, November 2016, p. 698–726.

[8] Wijngaards D., Kong S., Bartek M., Wolffenbuttel R., Design and fabrication of on chip integrated poly SiGe and polySi Peltier devices, Sensors and Actuators – Elsevier, Vol. 85, Issues 1–3, August 2000, p. 316–323.

[9] Yang J., Caillat T., Thermoelectric Materials for Space and Automotive Power Generation, MRS Bulletin (Harvesting Energy through Thermoelectrics: Power Generation and Cooling), Vol. 31, March 2006, p. 224–229.

ANALYSIS OF OPERATION OF FAN’S COOLING SYSTEM WITH PELTIER MODULE

The paper presents the developed cooling system with the Peltier module. The structure and the operation principle of the Peltier module have been described. In the description of the module the most important phenomena have been taken into account.

A prototype of the cooling system has been built. In the considered system, the emission and absorption of heat from the module surfaces are forced by the fans. Selected results of experimental research were presented.

(Received: 21. 02. 2017, revised: 28. 02. 2017)