Исследование эффективности элемента Пельтье при различных режимах работы

УДК 537.322.15

Гнусин П.И.

Исследование эффективности элемента Пельтье при различных режимах работы.

ООО «Нева Технолоджи»

Аннотация. В статье исследовалась работа элемента термоэлектрического охлаждения (элемента Пельтье) в зависимости от различных условий (напряжения, наличия пассивного и активного теплоотвода). Показано, что с ростом напряжения на элементе его относительная эффективность снижается. Продемонстрировано, что наличие пассивного (радиатор) и особенно активного теплоотвода существенно увеличивает эффективность элемента Пельтье.

Ключевые слова: эффект Пельтье, элемент Пельтье, термоэлектрическое охлаждение, активное охлаждение, пассивное охлаждение.

Abstract. The paper work investigated the thermoelectric cooling element (Peltier element) depending on various conditions (voltage, presence of active and passive heat sink). It is shown that with increasing voltage on the element its relative effectiveness is reduced. It has been demonstrated that the presence of the passive (heat sink), and especially the active heat sink greatly increases the efficiency of the Peltier element.

Key words: Peltier effect, the Peltier element, the thermoelectric cooling active cooling, passive cooling.

Введение

Элементы термоэлектрического охлаждения, или элементы Пельтье, широко применяются для охлаждения малогабаритных элементов электронных устройств, таких, как микропроцессоры, ПЗС-линейки и ПЗС-матрицы; для стабилизации температуры когерентных источников оптического излучения во избежание их дрейфа, и в ряде других приложений. К их важным практическим достоинствам можно отнести малые габариты и вес, отсутствие охлаждающих жидкостей, возможность охлаждения устройства существенно ниже температуры окружающей среды.

К сожалению, несмотря на хорошую изученность эффекта Пельтье, вопросам, связанным с оптимизацией режимов их работы, на практике уделяется при разработке систем охлаждения достаточно мало внимания. Это связано во многом с недостаточной информированностью разработчиков электронных устройств об основных особенностях систем термоэлектрического охлаждения, в результате чего, как правило, выбирается элемент, наиболее приближенный по номинальным параметрам электропитания к уже задействованным в электронном устройстве. При этом, действительно, достигается максимально возможная разница температур между охлаждаемой и нагреваемой поверхностями термоэлектрического элемента, что, однако, не гарантирует максимальной эффективности охлаждения и тем более не гарантирует максимальной эффективности на единицу затраченной на охлаждение электрической энергии.

Настоящее исследование было предпринято для того, чтобы оптимизировать работу сборки из термоэлектрических элементов в условиях ограниченной допустимой потребляемой мощности и отработать сопутствующие технические решения.

Эксперимент

В исследовании использовался охлаждающий модуль модели Storm-71

производства Kryotherm (г. Санкт-Петербург) с габаритными размерами 40 мм х 40 мм х 3.6

мм. Элемент представлял собой плоскую квадратную пластину с керамическими поверхностями и внутренней структурой, выполненной из полупроводниковых и керамических элементов, имеющую два электрических контакта. В табл. 1 приведены параметры модуля, взятые из паспорта прибора и сайта производителя [1] (преимущество отдавалось параметрам, приведенным в паспорте):

Таблица 1.

Характеристики исследованного термоэлектрического элемента.

Параметр Обозначение Значение

Дифференциальное сопротивление, Ом (при температуре 295 К) Rac 3.2

Максимальная разность температур нагреваемой и охлаждаемой сторон

Максимальная холодопроизводительность, Вт Qmax 34.5

Максимальная рабочая температура, °С Tраб 200

Максимальное напряжение, В Umax 16.1

Максимальная сила тока, А Imax 3.6

При приложении к контактам термоэлектрического элемента постоянного напряжения температура его сторон определяется двумя конкурирующими процессами: выделением Джоулева тепла во внутренней структуре элемента (интенсивность которого пропорциональна квадрату силы тока, протекающего через элемент) и переносом тепла от «холодной» стоны элемента к «горячей» благодаря эффекту Пельтье (при этом при изменении полярности тока, проходящего через элемент, «холодная» и «горячая» стороны меняются местами). Конкуренция этих процессов и определяет в конечном итоге температуру «холодной» стороны элемента.

В ходе эксперимента были проведены следующие испытания:

1. Измерение вольт-амперной характеристики

2. Измерение температур холодной и горячей поверхностей в зависимости от условий отвода тепла (с пассивным охлаждением; с активным охлаждением).

Видео первой части эксперимента (без отвода тепла от горячей стороны) представлено в начале статьи (на сайте журнала). Элемент Пельтье в данной части эксперимента закреплялся в вертикальном положении в проволочной оснастке для минимизации тепловых потоков через стол и элементы крепления.

Пассивное охлаждение осуществлялось алюминиевым радиатором высотой 36 мм с цилиндрическим сердечником диаметром 37 мм и 36 алюминиевыми пластинами, расстояние между которыми составляло 1-4 мм. Общие габаритные размеры радиатора составляли 85х85х36 мм. Элемент Пельтье располагался под сердечником радиатора. Радиатор прижимался к элементу Пельтье под действием собственного веса, дополнительной термопроводящей пасты не использовалось.

Активное охлаждение осуществлялось компьютерным вентилятором (производитель Minibeа, номинальное напряжение до 24В, максимальная мощность 2,16 Вт, диаметр вентилятора 57 мм), питаемым тем же источником, что и элемент Пельтье, напряжением 10 В. Воздушный поток, проходящий через вентилятор, не измерялся в ходе эксперимента.

Для минимизации тепловых потоков через стол и элементы крепления сборка из элемента Пельтье, радиатора и вентилятора (при его наличии) закреплялась болтами на тонком (0.5 мм) алюминиевом листе на воздухе, таким образом, что рабочего стола касался только закрепленный на нем край листа. Вентилятор закреплялся на верхней поверхности радиатора (эксперимент с активным охлаждением).

Схемы расположения элементов для трех составных частей эксперимента приведены на Рисунке 1 (красная линия - горячая сторона термоэлектрического элемента; синяя линия -холодная сторона, желтыми точками показаны точки измерения температуры, стрелками -общее направление воздушных потоков, создаваемых вентилятором).

а - элемент без отвода тепла от горячей стороны; б - элемент с пассивным охлаждением; в - элемент с активным охлаждением.

1 - элемент Пельтье; 2 - проволочная оснастка; 3 - радиатор (заштрихован сердечник радиатора); 4 - крепежная алюминиевая пластина; 5 - вентилятор.

Рисунок 1 - Схемы трех частей эксперимента. Красным выделена горячая поверхность элемента Пельтье, синим - холодная поверхность, желтые точки - места измерения температуры, зеленые стрелки - общие направления воздушных потоков, создаваемых вентилятором.

На Рисунке 2 представлено фото экспериментальной сборки с пассивным охлаждением. Хорошо видны детали структуры радиатора охлаждения.

Рисунок 2 - Фото экспериментальной сборки с пассивным охлаждением.

Измерение температуры производилось при помощи регистратора SM-130 с миниатюрным волоконно-оптическим датчиком температуры OS 4210 производства Micron Optics. Датчик представляет собой волоконный световод с чувствительным элементом, внедренный для целей защиты в металлическую трубку диаметром 1 мм и длиной 2 см. Малые габариты датчиков обеспечивали близкое расположение к элементу Пельтье и минимизацию влияния на ход эксперимента. На достаточном удалении от элементов установки датчиком той же модели параллельно измерялась температура воздуха в помещении.

Результаты

Наиболее детальное исследование работы элемента охлаждения было проведено для случая (а) (элемент без радиатора). Экспериментальное оборудование подробно описано в видео. В ходе эксперимента постоянное напряжение на элементе повышалось с шагом 1 В и после каждого повышения измерялась сила тока и температура, установившиеся на элементе. Максимальное значение напряжения составило +5 В, во избежание перегрева горячей стороны элемента. Следует указать, что реального охлаждения холодной стороны элемента Пельтье удалось добиться только при минимальном напряжении (+1 В), поскольку при отсутствии эффективных механизмов отвода тепла от элемента выделение Джоулева тепла уже при небольших значениях протекающего тока превалирует над эффектом Пельтье. Несмотря на это, разница температур между «горячей» и «холодной» сторонами элемента была весьма заметной. На Рисунке 3 приведены измеренные значения температуры «горячей» и «холодной» сторон от напряжения на элементе, а также зависимость от напряжения разницы температур и величины среднего нагрева. Хорошо прослеживается уже упомянутая зависимость - средняя величина нагрева элемента растет с ростом напряжения квадратично, в то время как разность температур «холодной» и «горячей» сторон благодаря эффекту Пельтье растет линейно.

Тг - температура на «горячей» стороне;

Тх - температура на «холодной» стороне;

Тк - измеренное значение комнатной температуры;

ДТ = Тг - Тх, Тср = 1/2 (Тг + Тх) - Тк

Рисунок 3 - Измеренные значения температур в ходе первой части эксперимента (а), сравнение измеренной разницы температур на «горячей» и «холодной» сторонах элемента с

номинальной (б).

Тот факт, что измеренная зависимость разницы температур на поверхностях элемента от напряжения (Рисунок 3, б) проходит существенно выше точки, соответствующей номинальным характеристикам элемента, обусловлен, по нашему мнению, малыми габаритами применявшихся в эксперименте датчиков, благодаря чему температура в точке расположения датчика максимально приближена к температуре в центре соответствующей поверхности. По нашем мнению, весьма вероятно, что при изготовлении и заводской проверке элементов

использовались гораздо более габаритные измерители, что приводило к занижению температуры горячей поверхности и завышению температуры холодной.

Дополнительная информация об элементе, полученная в ходе эксперимента, представлена на Рисунке 4. На Рисунке 4, а приведена полученная вольт-амперная характеристика элемента. Видно, что в пределах эксперимента вольт-амперная характеристика практически линейна, хотя при повышении напряжения сопротивление элемента несколько повышается, возможно, вследствие его нагрева.

На Рисунке 4, б показана разность температуры на «горячей» и «холодной» поверхностях, построенная в зависимости от потребляемой элементом электрической мощности, а также ее аппроксимация корневой зависимостью (при аппроксимации зависимости прямой в двойном логарифмическом масштабе было получено оптимальное значение степени 0.552, что хорошо согласуется с корневой зависимостью, получаемой при сравнении выражений для величины эффекта Пельтье и потребляемой электрической мощности). Хорошо видно снижение эффективности элемента с ростом потребляемой мощности.

Рисунок 4 - Вольт - амперная характеристика элемента Пельтье (а) и зависимость разницы температур на «горячей» и «холодной» поверхностях от потребляемой электрической

мощности (б).

Указанная конкуренция между выделением Джоулева тепла (величина которого равна потребляемой термоэлектрическим элементом электрической мощности) и эффектом Пельтье приводит к тому, что электрическая эффективность элемента Пельтье с ростом напряжения существенно падает, и для максимального рабочего значения напряжения оказывается относительно небольшой. Это, однако, не говорит о принципиально низкой эффективности элемента Пельтье как охладителя (о чем, в частности, пишет даже [2]), поскольку далеко не всегда целесообразна работа элемента в номинальном режиме, в котором его электрическая эффективность минимальна. В частности, как следует из результатов первой части эксперимента, при неэффективном отводе тепла от «горячей» стороны значение напряжения, соответствующее наименьшей температуре «холодной» стороны элемента, может быть существенно ниже номинального. Установка в сборке нескольких элементов, каждый их которых работает при напряжении ниже номинального, может, таким образом, быть оптимальным решением, когда общая потребляемая электрическая мощность ограничена.

Во второй части эксперимента (схемы (б), (в) на Рисунке 1) была качественно исследована эффективность элемента для различных конструкций охлаждающей элемент сборки, состоящей из радиатора и вентилятора. Поскольку из геометрических соображений разместить датчики в непосредственном соприкосновении с поверхностями элемента не представлялось возможным, в данной части эксперимента точность определения температуры на поверхностях элемента существенно ниже. Тем не менее, единство расположения датчиков в обоих случаях обеспечивало качественные результаты для взаимного сравнения.

Для двух схем охлаждения, представленных на Рисунке 1 б, в, нами была измерена температура в радиаторе вблизи горячей поверхности и температура непосредственно под крепежной пластиной вблизи холодной, а также комнатная температура (как и в первой части эксперимента, они обозначены Tг, Тх и Тк) при напряжении на элементе, равном +10 В. Дополнительно было качественно исследована зависимость температуры «холодной» поверхности элемента от подаваемого напряжения. Для обоих схем (пассивное и активное охлаждение) при повышении напряжения вплоть до значения 10 В наблюдается снижение температуры холодной поверхности (с ростом напряжения в диапазоне по крайней мере 0-10 В теплоотвод увеличивается). Результаты второй части эксперимента представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Эффективность работы элемента Пельтье при различной конструкции охлаждающей сборки.

Величина нагрева «горячей» стороны, Тг - Тк, °С Величина охлаждения «холодной» стороны, Тк - Тх, °С Разность температуры в точках измерения Тг - Тх, °С

Схема (б) (пассивное охлаждение), и = +10 В 20.45 9.23 29.68

Схема (г) (активное охлаждение), И = +10 В 13.36 18.08 31.44

Из табл. 2 видно, что разность температур между точками измерения на «холодной» и «горячей» сторонах элемента в пределах погрешности одинакова. Однако активное охлаждение значительно увеличивает общую эффективность работы теплоотводящей сборки, при этом потребление электропитания вентилятором значительно ниже, чем потребление элементом Пельтье. Преимущество использования элемента Пельтье заключается в возможности охлаждения существенно ниже температуры окружающего воздуха, но, как следует из результатов эксперимента, только при наличии эффективных механизмов отвода тепла от его горячей стороны. Весьма вероятно, однако, что при менее качественном исполнении радиатора элемент Пельтье будет иметь предельную величину напряжения, при поднятии выше которого температура холодной поверхности перестает снижаться и начинает повышаться (так же, как и в первой части эксперимента). Таким образом, при разработке устройств с термоэлектрическим

охлаждением целесообразно проводить оптимизацию режима его работы (возможно, оптимален режим работы с напряжением ниже номинального).

Заключение

В работе было проведено исследование эффективности работы термоэлектрического элемента Пельтье при трех различных режимах отвода тепла (без отвода, с пассивным охлаждением, с активным охлаждением). Показано, что относительная (на единицу затраченной электрической мощности) эффективность термоэлектрического охлаждения существенно снижается с ростом напряжения на элементе Пельтье, хотя абсолютная величина охлаждения «холодной» поверхности элемента может повышаться. Таким образом, утверждение о неэффективности термоэлектрического элемента относительно других систем охлаждения справедливо только при работе элемента на номинальном значении напряжения.

Также показано, что использование элемента Пельтье целесообразно только при наличии дополнительных элементов охлаждения (активного или пассивного). При этом добавление в систему охлаждения вентилятора существенно увеличивает эффективность работы элемента Пельтье, при ничтожном увеличении энергопотребления.

Результаты исследования были использованы при проектировании системы охлаждения измерительного устройства ограниченных габаритов, действующего в условиях высокой температуры окружающего воздуха и ограниченной величины потребляемой электрической энергии.

Автор выражает благодарность коллективу ООО «Нева Технолоджи» за помощь в постановке эксперимента и обсуждение его результатов.

Список литературы:

1. Specification of thermoelectric module Storm-71 // Production of thermoelectric modules. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. URL: http://kryothermtec.com/assets/dir2attz/ru/Storm-71.pdf (дата обращения: 16.03.2016).

2. Элемент Пельтье // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Элемент_Пельтье (дата обращения: 16.03.2016).