בחירה ושימוש במודולי פלטייר ) )Peltier לקירור תרמואלקטרי

 

קירור תרמואלקטרי הופך במהירות לאפשרות מעשית עבור סוגים רבים של ציוד אלקטרוני. המכשירים הקיימים כיום בשוק הם קומפקטי, יעיל – ובזכות היתרון של מבנה פנימי מתקדם – הם מסוגלים להתגבר על אתגרי האמינות שאפיינו אותם בעבר ואשר הגבילו את האפשרויות של מכשירים מסוג זה.

שמירה על רכיבים אלקטרוניים כמו דיודות לייזר או חיישני דימוי בטמפרטורה יציבה הינה חיונית על מנת להבטיח פעילות תקינה של מכשירים כגון לייזרים בעוצמה גבוהה, הפניות מעבדה, ספקטרוסקופים או מערכות ראיית לילה. במקרים מסוימים נדרש קירור מתחת לטמפרטורת הסביבה. קירור פסיבי פשוט, באמצעות שילוב של כיור חום ודחיסת אוויר, מתקשה לתת מענה לכל אחת מדרישות אלה. התגובה לשינויים בעומס התרמי יכולה להיות איטית ולא מדויקת, והקירור מסתמך על שיפוע תרמי שבו טמפרטורת מקור החום גבוהה יותר מזו של הסביבה.

כחלופה לטכניקות קירור פסיבי נפוצות, הקירור התרמואלקטרי יכול להציע יתרונות רבים. אלה כוללים בקרת טמפרטורה מדויקת ותגובה מהירה יותר, הזדמנות לפעולה ללא מאוורר (בכפוף לביצועים של כיור החום), רעש מופחת, חיסכון במקום, צריכת חשמל מופחתת ויכולת קירור רכיבים לטמפרטורות נמוכות מאלו של הסביבה.

רכיבי פלטייר: עקרונות ומבנה

המבנה הפנימי של רכיב Peltier מורכב מחלקים כדוריים, מוליכים למחצה, המיוצרים מחומרי Bismuth Telluride  מסוג N ומסוג P. מערך החלקים מחובר באופן חשמלי כסדרה, אך הם מאורגנים מבחינה תרמית במקביל כדי למקסם את ההעברה התרמית בין משטחי קרמיקה חמים וקרים של המודול (איור 1).

איור 1. מבנה פנימי של רכיב פלטייר גנרי

קירור תרמואלקטרי מנצל את אפקט פלטייר (Peltier), אשר נצפה כחום אשר או נספג או נפלט בין צמתים של שני מוליכים שונים כאשר הזרם עובר. מודול תרמואלקטרי המכיל רכיב פלטייר נדחס בין שני לוחות קרמיקה בעלי מוליכות תרמית גבוהה, עם מקור חשמלי, והוא מסוגל למעשה לשאוב חום על פני המכשיר מלוח קרמיקה אחד לאחר. בנוסף, ניתן לשנות את כיוון זרימת החום פשוט על ידי היפוך כיוון הזרם הנוכחי.

החלת מתח DC גורמת לנשאי המטען החיוביים והשליליים לספוג חום ממשטח אחד ולהעבירו ולשחררו אל הצד הנגדי. לכן, השטח בו האנרגיה נספגת הופך לקר והשטח ההפוך, שבו האנרגיה משתחררת, הופך לחם.

הרכבת יחידת קירור

על מנת ליצור יחידת קירור תרמואלקטרית פרקטית, מודול פלטיר נבנה לתוך מערכת הכוללת בדרך כלל גוש מתכת בעל מוליכות תרמית גבוהה, כגון סגסוגת אלומיניום וכיור חום (איור 2). גוש המתכת משמש לחיבור המכשיר שיש לקרר – כגון דיודת הלייזר או חיישן התמונה – אל הצד הקר של רכיב הקירור. עובי הגוש נבחר על מנת לשמור על שטיחות וכך להבטיח חיבור תרמי עקבי עם הלוח הקר של רכיב הפלטייר, וחשוב לציין שעובי מופרז יוביל לאינרציה תרמית שאינה רצויה. כיור החום מחובר לצד ההפוך, או לוח חם, של רכיב הפלטייר, על מנת לפזר את החום היוצא לתוך הסביבה. שכבה דקה של גריז תרמי, או חומר ממשק תרמי אחר (TIM), מושם לכל משטח.

איור 2. רכיב הפלטייר, גוש אלומיניום וכיור חום מורכבים ליצירת מערכת הקירור

בחירת מודול ובקרה

מערכת קירור תרמואלקטרית מלאה כוללת את רכיב הפלטייר ואת גוף כיור החום, חיישני טמפרטורה לניטור הלוחות החמים והקרים ויחידת בקרה כדי להבטיח כי הזרם הנכון מסופק לשמירה על הבדל טמפרטורה רצוי על פני המודול.

מודול הבקרה והפלטייר נבחרו על מנת להבטיח שאפשר יהיה לפזר את החום מהרכיב הקר בשילוב עם אפקט חימום הג’אול של הזרם המסופק וזאת מבלי לחרוג מהקיבולת התרמית המקסימלית (Qmax) או הפרש הטמפרטורה המרבי (ΔTmax) המצוינים בנתוני מודול הפלטייר. יש להביא בחשבון גם את הפרש הטמפרטורה המרבי ואת הזרם המקסימלי כדי להבטיח שמודול הפלטייר הנבחר יוכל לשמור על הפרש הטמפרטורה הרצוי בעת הפעלה בזרם מתאים. לרוב מדובר על פחות מ- 70% מהמקסימום על מנת להבטיח כי חימום הג’ואל נותר בגבולות שניתן לנהל וכי המערכת יכולה להגיב לעליות קצרות טווח בטמפרטורת הלוח הקר מבלי שתתרחש דליפת חום.

חישוב הזרם והספיגה התרמית

אם הבדל הטמפרטורה הרצוי והמתח התפעולי של ספק הכוח ידועים, ניתן לחשב את הפיזור התרמי ואת זרם ההפעלה מהמודול באמצעות דיאגרמות פונקציה כפי שמוצג בגיליון הנתונים.

לדוגמה, ניתן להשתמש בדיאגרמות פונקציה כפי שמוצג באיור 3 על מנת לחשב את החום השאוב והזרם המספק ללוח חם בטמפרטורה של 50 מעלות צלזיוס, לוח קר בטמפרטורה של 10 מעלות צלזיוס, והספק מתח של V12.

איור 3. חישוב הגדרות באמצעות גיליון נתונים של דיאגרמות פונקציות

על מנת לקבוע את זרם ההפעלה והספיגה התרמית:

  1. יש למצוא את ΔT

ΔT = Th – Tc – 50°C – 10°C = 40°C

  1. יש להשתמש בדיאגרמת הפונקציה עבור טמפרטורה °C50 למצוא את המתח לשמר ΔT = 40°C בוולט המסופק:

מהדיאגרמה: I = 3.77A

  1. יש למצוא את החום הנשאב מדיאגרמת הפונקציה, ב- I = 3.77A ו- ΔT = 40°C :

מהדיאגרמה: Qc = 20.75W

עייפות תרמית במודולי פלטייר

מצננים תרמואלקטרים יכול להיות רגישים לעייפות תרמית. יחידות המיוצרות באופן רגיל מכילות חיבורים מולחמים רגילים בין החיבור הפנימי החשמלי (נחושת) לבין הרכיבים המוליכים למחצה P / N, כמו גם חיבורים מולחמים או מודבקים בין החיבור הפנימי לבין הלוח הקרמי (איור 4). בעוד שטכניקות חיבור אלה בדרך כלל מייצרים חיבורים מכניים, תרמיים וחשמליים חזקים, הם אינם גמישים, ויכולים להיהרס ובסופו של דבר להפסיק לפעול כאשר נתונים לחימום וקירור מחזורי חוזרים ונשנים האופייניים לפעולה רגילה במודול הפלטייר.

איור 4. חיבורים של מודול פלטייר רגיל

CUI הגו את מבנה ™arcTEC עבור מודולי פלטייר על מנת למנוע את השפעות העייפות התרמית. מבנה arcTEC מחליף את חיבור ההלחמה הרגיל בין חיבור החשמל מנחושת והלוח הקרמי בצד הקר של המודול עם שרף מוליך תרמית. שרף זה מספק קשר גמיש בתוך המודול המאפשר הרחבה והתכווצות המתרחשת באופן חוזר. הגמישות של שרף זה מפחיתה מתחים בתוך המודול ומאפשרת חיבור תרמי ומכני טובים יותר קשר ואינה מפגינה ירידה ניכרת בביצועים לאורך זמן.

בנוסף, חיבור SbSn (antimony-tin) מחליף את BiSn (bismuth-tin) המשמש בדרך כלל בין הרכיבים המוליכים למחצה P / N וחיבור הנחושת (איור 5). לחיבור SbSn נקודת התכה גבוהה של 235 מעלות צלזיוס, לעומת 138 מעלות צלזיוס עבור BiSn, ולכן מאפשר ביצועים טובים יותר ועמידות רבה יותר.

Figure 5. arcTEC structure enhancements boost reliability and thermal performance

שיפור האמינות והביצוע התרמי

כדי לשפר את האמינות עוד יותר רכיבי P / N של מודולים מבנה arcTEC עשויים סיליקון מובחר והם גדולים יותר עד פי 2.7 מאשר בהם משתמשים מודולים אחרים. זה מבטיח ביצועי קירור אחיד יותר, הימנעות מטמפרטורה לא אחידה שעלולה לתרום לקיצור אורך החיים. איור 6 ממחיש את ההשפעה על התפלגות הטמפרטורה על ידי השוואת תמונות אינפרא אדום של מודול פלטייר רגיל (עליון) ומודול מבנה arcTEC (תחתון). רכיבי ה- P/N העדיפים של מודולי מבנה arcTEC מסייעים גם לשפר את זמן הקירור ביותר מ- 50%.

איור 6. התפלגות חום משופרת במודולי מבנה arcTEC (למטה) בהשוואה למודולים רגילים (למעלה)

אורך החיים המוגבר של מודולי מבנה arcTEC ניתן להמחשה על ידי ניתוח השינוי בהתנגדות הפנימית של מודולי פלטייר החשופים לחום מחזורי. בגלל ששינוי ההתנגדות בתוך מודולי פלטייר קשור בקשר הדוק לכשל בחיבור, ניתוח המגמה מספקת אינדיקציה יעילה בנוגע לאורך החיים. התוצאות המופיעות באיור 7 ומציגות שיפור משמעותי בתוחלת החיים שהתאפשרה על ידי מבנה arcTEC.

איור 7. הערכת אמינות על ידי ניטור עמידות לשינוי

סיכום

למרות שמזה מספר דורות יש הבנה של הפיזיקה מאחורי קירור תרמואלקטרי, ההופעה של מודולי פלטייר מתאימים, המוכנים לשילוב במוצרי חשמל מסחריים, היא תופעה חדשה יחסית. ישנם יתרונות רבים, כולל תגובה מהירה יותר, שיפור ביציבות הטמפרטורה וגמישות רבה יותר על מנת לאפשר שליטה בטמפרטורה של התקנים קריטיים כגון מעגלים משולבים, דיודות לייזר או חיישנים. יישומים חדשים וחדשניים עבור מודולי פלטייר צפויים להפוך לשכיחים יותר ככל שהמתכננים יכירו יותר טוב את המוצרים וטכניקות עיצוב.

כאשר בוחרים במודלי פלטייר ומעצבים בקרה חשמלית, יש להקפיד על הפעלה מיטבית של המודולים במסגרת המגבלות התרמיות שלהם. מודולי פלטייר המתקדמים ביותר, המתוכננים עם חיבורים פנימיים גמישים ולוחות P/N, פתחו פתח לשיפורים נוספים באמינות ובתגובה התרמית.

 

 

ג'ף סמוט, סמנכ"ל יישום הנדסי ב- CUI Inc

תגובות סגורות