Termoelektrik modül içi ileri mühendislik malzemelerinin termoelektrik modülün termal davranışına etkisinin deneysel ve sayısal analizi
Experimental and numerical analysis for the effect of embedded advanced engineering materials on thermal behavior of thermoelectric module
Yazar: BAHADIR BOZKURT
Danışman: DOÇ. DR. SAVAŞ DİLİBAL
İstanbul Gedik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Aerojel = Aerogel ; Epoksi reçine = Epoxy resin ; Kalsiyum hidroksiapatit = Calcium hydroxyapatite ; Termoelektrik jeneratör = Thermoelectric generator ; İleri teknoloji = Advanced technology

Özet:
Mobil soğutma teknolojisinin önemli bir parçası haline gelen; aynı zamanda artık ısıdan elektrik enerjisi elde edilmesine imkan sağlayan termoelektrik modüllerin (TEM) kullanımı gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Yeni ve daha verimli termoelektrik (TE) malzemelerin keşfiyle birlikte TEM'lerin performansında büyük artış yaşanmıştır. Ancak; sağlanan verimlilik artışı halen konvansiyonel sistemlerin verimliliğine ulaşamadığından, TEM'lerin kullanımı sınırlı düzeyde kalmaktadır.
TEM'ler konvansiyonel sistemlerden farklı olarak Seebeck ve Peltier prensiplerine göre çalışmaktadır. Tersinir olan bu sistem ile yüzeyler arası sıcaklık farkının elektrik enerjisine dönüştürülmesi ve elektrik enerjisiyle yüzeyler arasında sıcaklık farkı yaratılması mümkün olmaktadır. TEM'lerin Seebeck efekti ile elektrik akımı oluşturmasında kullanılan modüllere termoelektrik jeneratör (TEG) ve Peltier efekti ile soğutma yapan modüllere ise termoelektrik soğutucu (TEC) adı verilmektedir.
TEC'lerin konvansiyonel sistemlerden birçok üstün özelliği mevcuttur. Bu özellikler; hareketli parça olmaması nedeniyle bakım gerektirmemesi ve uzun yıllar çalışabilmesi, çalışma sırasında doğaya zararlı soğutucu gaza ihtiyaç duymaması, yer çekimsiz ortamda çalışabilmesi olarak sıralanabilir. Ancak bu özelliklerine rağmen, düşük enerji dönüşüm verimlilikleri sebebiyle, TEC'lerin ticari kullanımı halen istenilen düzeye ulaşamamıştır.
Ticari kullanımlarda soğutma verimliliğinin arttırılması amacıyla TEC'ler üzerine alüminyum bloklar yerleştirilmekte ve ısı transferi sağlayan yüzey alanları arttırılmaktadır. 
Şimdiye kadar gerçekleştirilen çalışmalarda, TEC'lerin yarı iletkenlerinin geliştirilmesi ve farklı tasarımlarla verimlilik artışı sağlanması konularına odaklanılmıştır. Bu çalışmada diğer çalışmalardan farklı olarak; TEC'in yarı iletkenleri arasında farklı yalıtım ortamları oluşturularak, TEC'in çalışma mantığının tersi yönündeki ısı transferinin azaltılması hedeflenmiştir. Bu hedef doğrultusunda TEC'in yarı iletkenlerinin bulunduğu hava boşluğunun yerini alabilecek farklı yalıtkan ileri mühendislik malzemeleri araştırılmıştır. Isı transferinin azaltılmasıyla TEC'in soğutma performansının arttırılması ve mobil soğutma sistemlerinde TEC'lerin daha yaygın kullanılması beklenmektedir. 
Deney düzeneği olarak seçilen bir soğutucu taşıma kutusuna, yalıtkanlık özelliğine sahip farklı ileri mühendislik malzemeleri içeren TEC'ler yerleştirilmiş ve her bir TEC için soğutma performansları incelenmiştir. Bu ileri mühendislik malzemelerinin seçiminde; termal yalıtkanlık, biyouyumluluk, biyobozunurluk, mukavemet, hafiflik, düşük toksisite gibi unsurlar belirleyici olmuştur. Bu bağlamda; biri kontrol grubu olmak üzere 6 farklı deney düzeneği oluşturulmuştur. Kontrol grubu olarak piyasada bulunan bir TEM temin edilmiş ve termal, morfolojik ve elemental analizleri gerçekleştirilmiştir. İkinci deney düzeneğinde ise TEM'in seramik yüzeyleri arasındaki hava boşaltılarak vakum ortamı oluşturulmuştur. Diğer 4 deney düzeneğinde ise; yüksek yalıtkanlık özellikleriyle bilinen epoksi reçine, mikron ve nano tanecik boyutlu hidroksiapatit ve nano biyosilika aerojel kullanılmıştır.
İleri mühendislik malzemelerle farklı yalıtım ortamları sağlanan TEC'lerin sıcaklık değişimleri anlık olarak takip edilmiş ve soğutma performansları hesaplanmıştır. Yapılan deneylerden yalnızca vakum ortamı sağlanan deneyin standart TEC'e göre daha yüksek performans sergilediği tespit edilmiştir. Epoksi reçinenin ise ısı köprüsü olarak davrandığı ve TEC için uygun bir yalıtım malzemesi olmadığı sonucuna varılmıştır. Soğutma performansının standart bir TEC'e göre daha düşük olduğu tespit edilen HAp ve NBA'nın kontrol grubu olan hava boşluklu TEM'den daha yüksek mukavemet ve biyouyumluluk gerektiren biyomekatronik uygulamalarında kullanılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Thermoelectric modules (TEM) are becoming more common day by day. They transform; temperature difference to electricity or electricity to temperature difference. This feature allows them to be used as a generator or cooler. With the discovery of new and more efficient thermoelectric (TE) materials, there has been a great increase in the performance of TEMs. Despite of the efficiency increase in TEMs, their usage remain limited, because they still can not reach the efficiency of conventional systems.
Unlike conventional systems, TEMs operate according to Seebeck and Peltier principles. With these reversible principles; it is possible to convert the temperature difference between the surfaces into electrical energy and also to create a temperature difference between the surfaces with electrical energy. If the modules are used for generating electrical current with the Seebeck effect, TEMs are called thermoelectric generators (TEG) and if the modules are used for cooling with the Peltier effect, TEMs are called thermoelectric coolers (TEC).
TECs have many superior features than conventional systems. These features can be summarized as; no moving parts, no requirement for maintenance, long lifetime, no need nature-harmful coolant gases, able to work without gravity. Despite these features; commercial use of TECs has not reached the desired level yet, due to their low energy conversion efficiency.
To increase cooling efficiency in commercial uses, aluminum blocks are placed on TECs to enlarge surface areas of the TEC to improve heat transfer.
Studies carried out so far, have focused on the development of semiconductors in TECs and increasing the cooling efficiency through different designs. Unlike other studies, this study aims to reduce the heat transfer in the opposite direction of TEC's working principles, by creating different insulation environments between the semiconductors of TEC. Different advanced engineering materials were investigated to replace the air gap where the semiconductors of TEC are located. 
TECs with different advanced engineering materials were placed to a cooler transport box which is selected as the experimental setup. The cooling performances were examined for each insulated TEC. In the selection of these advanced engineering materials; factors such as high thermal insulation, biocompatibility, biodegradability, strength, lightness, low toxicity were determinative. In this context; 6 different experimental setups were created, including the control group. A commercially available TEC was provided as a control group and thermal, morphological and elemental analyzes were performed. In the second experiment setup, a vacuum environment was created by evacuating the air between the ceramic surfaces of TEC. In the other 4 experimental setups; Epoxy resin, micron and nanoparticle sized hydroxyapatite and nano biosilica aerogel, known for their high insulating properties, are used.
Temperature changes of TECs with different advanced engineering materials, were monitored instantaneously and cooling performances were calculated. It was determined that only the vacuumed TEC provided higher cooling performance than the standard TEC. The epoxy resin acts as a thermal bridge and is not a suitable insulation material for TECs. Test results show that, HAp and NBA, which indicate lower cooling performance than a standard TEC, can be used in biomechanical applications that require higher strength and biocompatibility than the control group air-gap TEC.