Termoelectricidad (parte I)

SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS
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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS
FRIGICHIP
MÓDULO CERÁMICO MINIATURA - SERIES FC - CP
DESCRIPCIÓN
La serie FC es una familia completa de bombas de calor termoeléctricas subminiaturas
en forma modular, teniendo requerimientos de espacio y corrientes extremadamente
bajos. Utilizando platos cerámicos para una gran aislación eléctrica y excelente
conductividad térmica, el módulo FRIGICHIP provee un eficiente y económico medio
de mantenimiento de control de temperaturas críticas, en aplicaciones donde el espacio
y la potencia limitada son factores determinantes.
Las superficies van desde 1.8x3.4mm a 12.3x11.3mm con un rango de corriente máximo de 0.8 a 2 A.
Las configuraciones de varias etapas pueden proveerse para encontrar grandes diferenciales de
temperatura.
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO
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COMO USAR GRÁFICAS UNIVERSALES DE DESEMPEÑO
Convertir los valores de la escala universal en los del módulo específico seleccionado:
1)
2)
3)
Convertir Qc/GxN (valores de escala) a Qc (vatios de calor bombeado): Multiplique los valores Qc/GxN
por GxN (desde la tabla en las especificaciones del módulo).
Convertir V/N a V (voltios de entrada): Multiplique V/N por N (de la tabla).
Convertir 50G, 40G, etc. a I (amperios de entrada): Multiplique 50 por G, etc.
Para aplicaciones, se requiere conocer Qc, Tc y Th, luego se selecciona el módulo apropiado:
1)
2)
3)
Calcular T  Th  Tc ; seleccionar la corriente de operación I(Imax=50G).
De los gráficos universales, obtener Qc/ GxN. Calcular GxN.
Seleccionar el módulo apropiado desde la tabla GxN en las especificaciones.
EJEMPLO:
Requerimientos: Qc=31Watts, Tc=5ºC, Th=35ºC.
1)
2)
3)
 T =35ºC – 5ºC=30ºC. Elija la corriente de operación (típicamente desde 30G a 40G)
a 35G (igual 35/50=70% de Imax).
Con Th=35ºC, desde la gráfica (  T =30º, I=35G), se obtiene Qc/GxN=1.65. Luego
GxN=Qc/1.65=18.8.
Elegir el módulo con GxN  18.8; entonces se selecciona el CP1.4-127-045
(GxN=21.6) ó el CP2-71-06 (GxN=19.9).
Ahora debe seleccionar el módulo correspondiente:
Model CP1.4-127-06L:
CP Series, Type L
1.4 x 1.4mm Thermoelement Cross Section
127 Thermocouples
0.6” Thermoelement Height.
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NOTAS DE APLICACIÓN PARA APARATOS TERMOELÉCTRICOS:
Aunque los sistemas de enfriamiento termoeléctricos son comparados a sistemas convencionales, tal vez,
el mejor camino para mostrar las diferencias entre los 2 métodos de refrigeración es describir los
sistemas. Un sistema convencional de enfriamiento contiene 3 partes fundamentales: el evaporador, el
compresor y el condensador. El evaporador o sección fría es la parte donde el refrigerante presurizado
puede expandirse, hervir y evaporarse. Durante el cambio de estado de líquido a gas, la energía, en forma
de calor es absorbida. El compresor actúa como bomba refrigerante y comprime el gas en líquido. El
condensador despide al ambiente el calor absorbido al evaporarse y el calor extra adicionado por el
compresor.
Un sistema de enfriamiento TE tiene partes similares. En la junta fría la energía en forma de calor es
absorbida por electrones, los cuales van de un semiconductor a otro, mientras pasan de un estado de baja
energía a un estado de alta energía. La fuente de poder provee la energía requerida para mover los
electrones a través del sistema y la juntura caliente.
Los enfriadores TE son bombas de calor, de estado sólido, sin partes móviles fluidos, o gases. Las leyes
básicas de la termodinámica se aplican a estos aparatos como a las bombas convencionales y otros
aparatos envueltos en la transferencia de energía calórica.
Una analogía siempre usada para comprender el sistema de enfriamiento TE es una termocupla estándar
usada para medir temperatura. Termocuplas de este tipo son hechas por la conexión de dos cables
distintos, típicamente cobre-constantan, de manera que se forman 2 junturas. Una de las junturas se
mantiene a una temperatura de referencia mientras que la otra es puesta en contacto con el objeto cuya
temperatura es de interés. El sistema es usado cuando el circuito es abierto en algún punto y la tensión
generada es medida.
Revertiendo este proceso en el par de arreglos de junturas, al aplicarle energía eléctrica causa que el
enfriamiento de una de las junturas y el calentamiento de la otra.
Las cuplas enfriadoras TE son hechas de 2 elementos de semiconductores, principalmente bismuto y
telurio, altamente contaminados para crear materiales tipo N o materiales tipo P. El calor absorbido en la
juntura fría es bombeado a la juntura caliente a una velocidad proporcional al paso de la corriente
cuadrada a través del circuito y el número de cuplas.
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En la práctica las cuplas son combinadas en un módulo donde se conectan en serie, los elementos
eléctricos y los térmicos en paralelo. Normalmente un módulo es el componente más pequeño disponible
comercialmente.
Los módulos están disponibles en una gran variedad de tamaños, formas, corrientes y tensiones de
operación, rangos y capacidades de bombeo de calor. En el presente se tiende a un gran número de cuplas
operativas de baja corriente. El usuario puede pedir cantidad, tamaño o capacidad del módulo que se
adapte a sus requerimientos exactos sin pagar por el exceso de capacidad.
Hay usualmente una necesidad de usar con preferencia cuplas TE frente a otras formas de enfriamiento.
La necesidad puede ser una consideración de tamaño, espacio, peso, condiciones ambientales como
operaciones en vacío o alguna otra condición especial. Si ninguno de éstos son requerimientos esenciales
entonces otra forma de enfriamiento podría ser considerada.
El próximo problema es seleccionar e1 dispositivo TE apropiado para satisfacer los requerimientos del
aparato. Tres parámetros específicos del sistema deben ser determinados antes de poder comenzar la
selección del dispositivo.
Ellos son:
-
Tc temperatura de superficie fría.
Th temperatura de superficie caliente.
Qc la cantidad de calor a ser removido o absorbido por la superficie fría del TE.
En la mayoría de los casos la temperatura de la superficie fría del TE es usualmente dada como una parte
del problema, es decir, la temperatura a que deben ser enfriados el o los objetos de interés.
Generalmente si el objeto a ser enfriado está en contacto directo con la superficie fría del TE, la
temperatura que el objeto debe alcanzar puede ser por consideraciones de diseño la temperatura de la
superficie fría del TE.
Hay situaciones en donde el objeto puede ser enfriado sin un contacto directo con la superficie del TE.
Cuando este tipo de sistemas es empleado la superficie del TE no tiene la necesidad de estar algunos
grados más fríos que la temperatura deseada del objeto.
La temperatura de la superficie caliente es definida por 2 parámetros:
1- La temperatura del ambiente circundante al cual el calor es rechazado.
2- La eficiencia del cambio de calor que se produce entre el lado caliente del TE y el ambiente.
Estas 2 temperaturas y la diferencia entre ellas (  T ) son parámetros muy importantes.
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El tercer parámetro es la cantidad de calor a ser removida o absorbida por la superficie fría del TE (todas
las cargas térmicas deben ser consideradas). Estas cargas térmicas incluyen, pero no limitan el calor
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cargado o I R desde el dispositivo electrónico y cualquier objeto en contacto con la superficie fría y a
cualquier temperatura más cálida.
En algunos casos los efectos del calor radiante deben ser considerados. Una única etapa de dispositivos
TE es capaz de producir un diferencial de temperatura de aproximadamente 65 grados Celsius.
Diferenciales mayores pueden ser alcanzados apilando un TE sobre otro, esta práctica se denomina
comúnmente cascada. El diseño de un dispositivo en cascada es mucho más complejo que el de una etapa.
Uno de los 3 parámetros básicos tiene que ser cuantificado para hacer la selección de un módulo
particular o grupo de módulos. Las ecuaciones de transferencias de calor son utilizadas para ayudar en la
cuantificación de Qc y Th.
Hay muchos módulos diferentes o aparatos que pueden ser usados para algunas aplicaciones, un criterio
adicional que es siempre usado para obtener el mejor, es el coeficiente de performance C.O.P. definido
como el calor absorbido en la juntura fría dividido por el de la entrada
Qc
. El máximo C.O.P. tiene la
Qin
ventaja de una mínima potencia de entrada y entonces un mínimo calor total a ser rechazado por el
cambiador de calor ( Qh = Qc & Qin).
La fuente de poder y el control de temperatura son ítems adicionales que deben ser considerados para un
sistema TE satisfactorio.
Un dispositivo TE es un dispositivo de DC, cualquier componente de AC sobre el DC es nociva. La
degradación debida al ripple puede aproximarse por
T
1

donde N = % corriente ripple.
Tmax 1  N 2
MELCOR recomienda no más del 10% de ripple.
El control de temperatura puede ser generalmente considerado en 2 grupos (lazo cerrado y abierto o
manual y automático). El parámetro más fácil para detectar y medir es la temperatura.
La juntura fría es comparada con alguna temperatura de referencia, usualmente es la temperatura de la
cara opuesta del TE o en algún caso la temperatura ambiente. En el método de lazo abierto, un operador
ajusta la fuente de potencia para reducir el error a cero, mientras en lazo cerrado esta tarea es realizada
electrónicamente.
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TIPOS DE ENSAMBLAJE:
Las técnicas usadas en el ensamblaje de un sistema TE puede ser muy importante en la selección del
dispositivo apropiado. Generalmente un dispositivo TE en el modo de enfriamiento mueve calor desde el
objeto al ambiente. Todo el mecanismo de interfase entre el objeto a ser enfriado y el ambiente es
térmico. Toda interfase térmica tiende a inhibir el flujo de calor o adicionar resistencia térmica. Cuando
se consideren técnicas de ensamblaje, los esfuerzos deben ser hechos para minimizar la resistencia
térmica.
Las tolerancias mecánicas para las superficies de intercambio de calor no deben exceder 0.001 in/in con
un máximo de 0.003" T.I.R. Si es necesario usar más de un módulo entre platos comunes la variación de
altura entre los módulos no debe exceder +/-0.00075”.Para ensamblar los TE use capas de grasa térmica.
El espesor de estas capas debe ser de 0.001 +/-0.0005”. Es necesario mantener la limpieza ya que la
suciedad, granitos y el polvo , esto es muy importante cuando se usa grasas en las juntas, debido a su
afinidad para ese tipo de contaminantes.
Típicamente un módulo TE mide alrededor de 0.2" de grosor, cualquier aislante que pueda ser provisto
minimizaría la pérdida de calor. La presencia del aislante-sello ofrece alguna protección al daño
físico. El aislante-sello es más fácilmente provisto por la sección insertada de la celda cerrada de espuma
de poliuretano sobre la cavidad y sellando con algún tipo de sustancia RTV o se puede usar una cubierta
de epoxy para obtener mayor integridad física.
Es deseable limitar el esfuerzo en el terminal de entrada, no solo para proteger los terminales sino
también para mantener la integridad del sello de los módulos.
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FÓRMULAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR:
l- Calor ganado o perdido por la pared que contiene el aislante.
Q  A
T
x 1

k
h
 BTU 
Q = calor en 
.
 hr 
A = área de la superficie externa del contenedor en Ft 2 .
 T = temperatura diferencial entre el interior y el exterior del contenedor º F  .
x = espesor de aislación Ft .
 BTU 
K = conductividad térmica media de aislación 
.
 hr  Ftº F 
BTU


h = coeficiente medio de transferencia de calor en 
.
2
 hr  Ft º F 
 
2- Tiempo requerido para cambiar la temperatura de un objeto
t
t
m  Cp  T
Q
= intervalo de tiempo en
hr .
 BTU 
Cp = calor medio específico del material 
.
 lbº F 
m = peso del material en lb  .
 T = cambio de temperatura del material en º F  .
 BTU 
Q =calor adicionado o removido en 
.
 hr 
Recordamos que el dispositivo TE no adiciona o remueve calor a un régimen constante cuando  T
varía.
Una buena primera aproximación puede ser obtenida usando el:
Q(medio ) 
Q(Tmax )  Q(Tmin )
2
3-- Calor transferido hacia o desde una superficie por Convección
Q  h  A  T
Donde:
 BTU 
Q =calor en 

 hr 
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BTU


h = coeficiente de transferencia de calor en 
.
2
 hr  Ft º F 
1 - 5 convección libre - gases
2 - 20 convección forzada – gases
 
A = área de superficie expuesta en Ft 2 .
 T = temperatura de superficie º F  .
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CONFIABILIDAD:
MODOS DE FALLAS Y TIEMPO MEDIOS ENTRE FALLAS (MTBF):
Debido a la construcción de estado sólido, los dispositivos TE son altamente confiables. Presentan altas
resistencias a las fallas.
Los análisis de fallas han mostrado generalmente que las causas de fallas son por 2 motivos principales:
1- Daños mecánicos como resultado de un manejo inapropiado del sistema de ensamblaje.
2- Recalentamiento inadvertido en el módulo.
Las fallas ocurren a temperaturas elevadas debido a que las soldaduras internas funden a 135°C.
MTBF’s es calculado como resultado de pruebas hechas alrededor de 100000 horas de funcionamiento a
80°C. A temperaturas menores el MTBF reportado es 2 o 3 veces mayor. Para maximizar la
confiabilidad, la combinación de una apropiada manipulación , apropiadas técnicas de ensamble y
posibles bajas temperaturas deben ser consideradas.
Para maximizar la confiabilidad es muy importante un manejo apropiado de las técnicas de ensamblaje y
trabajar a la menor temperatura posible.
GOLPES Y VIBRACIONES:
Los Módulos Termo – eléctricos (TE) en sus variadas formas de ensamblaje han sido usados por años en
diferentes aplicaciones Militares y Aerospaciales.
Mientras un TE soporta ampliamente tanto compresiones como tracciones, es relativamente débil a los
golpes. Por esto, en ambientes con vibraciones, es necesario tomar cuidados en cuanto al ensamblaje y o
montaje de los TE.
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BOMBAS DE CALOR TERMOELÉCTRICAS:
DESCRIPCIÓN:
Las bombas de calor TE pueden refrigerar objetos sólidos o líquidos.
A diferencia de los sistemas convencionales, las unidades TE son extremadamente pequeñas, miniaturas,
dispositivos de estado sólido. Las medidas típicas son 1”x1”x
1
” y las subminiaturas 0.16”x0.16”x
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0.11”.
VENTAJAS-COMPETITIVAS
Es posible construir sistemas TE en un espacio de menos de 1 pulgada cuadrada. Estos sistemas se
energizan por una simple entrada de tensión. El espacio y el peso son ventajas de los dispositivos TE así
como la confiabilidad dada por su construcción en estado sólido. Estos dispositivos han sido aplicados en
sistemas muy sofisticado como los, militares, aerospaciales, científicos,
etc. teniendo grandes
resultados en el control de temperatura.
APLICACIONES USUALES DE LOS TE
Militar - aerospaciales
Equipo científicos y de laboratorios
Productos comerciales (heladeras móviles, enfriadores, etc.)
Equipos médicos
Equipos de restaurantes, etc.
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COMO USAR LAS CURVAS DE PERFORMANCE
Los gráficos contenidos en la sección módulos de la serie CP describen Las características de
performance típicas de los módulos mayores en cada grupo básico. Para módulos pequeños Q y V son
directamente proporcionales al número de cuplas para cualquier corriente y  T dados.
El multiplicador listado en la tabla de especificaciones de los módulos representan el factor de conversión
apropiado para ser aplicado a Q y V. Tc, Th y  T son valores aplicados universalmente a todos los
módulos.
Los siguientes símbolos se usan en las curvas de performance:
Tc = temperatura de superficie fría del módulo en º F  .
Th = temperatura de superficie caliente de los módulos en º F  o en º C  .
 T = Th - Tc en º C  .
 BTU 
Q = calor bombeado en 
 o Watts.
 hr 
I = corriente de entrada en  A .
V = tensión de entrada en VDC  .
Las curvas incluyen 3 sets de gráficos, para diferentes valores de Th.
El conjunto central de gráficos está basado en Th = 35°C. El conjunto de gráficos de la derecha se basa en
Th = 50°C.
Los gráficos del lado izquierdo están basados en Th = 27°C.
Con Th, Tc y Q conocidas, los valores correspondientes de I son determinados desde el gráfico Q vs Tc.
Entonces conociendo Tc e I, el valor de V es determinado desde el gráfico de Tc vs V.
Para las condiciones que requieren valores intermedios de Th entre aquellos de las curvas, se debe
interpolar asumiendo una variación lineal de los parámetros.
Ejemplo:
Una heladora requiere un bombeado de calor de 100 BTU/hr y se usará en ambientes de 85°C. Diseñar
para Th = 95°F y Tc = 25°F. Asumiendo que una corriente de alrededor de 10 amperes es posible tratando
de usar curvas para los módulos CP 2-31-06.
Usando la sección central (Th= 95°F) buscar 25°F según las “x” (Tc- temperatura fría del módulo) yendo
a la línea de 10 amperes y cruzando hacia las “y” (BTU/hr calor bombeado). Esto dice que un módulo CP
2-31-06 bombeará 36 BTU/hr bajo estas condiciones.
Para bombear los 100 BTU/hr requeridos se necesitarían 3 módulos , los cuales darían una capacidad de
bombeo de calor de 108 BTU/hr (3 x 36) lo cual es más de lo que se necesita.
La tensión requerida por módulo es leída desde el comienzo hasta el tope del centro de la página sobre el
gráfico de Th = 95°F. Yendo desde las “x”, al Tc = 25°F, a la línea de 10 amperes, al tope de la página
cruzando a las “y” (tensión de entrada) y se leería 2.9 V. Si los 3 módulos son conectados en serie el
sistema requerirá 10 amperes de entrada a 8.7 volts (3 x 2.9).
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PRODUCTOS DE ENFRIAMIENTO TERMOELÉCTRICO:
Las bombas TE realizan las mismas funciones de enfriamiento que un sistema tradicional de compresión
de vapor.
En toda unidad, la energía térmica es extraída desde una región "heat – sink" de mayor temperatura. El
sistema tradicional tiene partes mecánicas en movimiento mientras que los elementos TE son totalmente
de estado sólido.
Las bombas de estado sólido usa termocuplas hechas de cristales semiconductores de alta performance.
Pasando una corriente de lado a lado de las bombas de calor genera un diferencial de temperatura a través
de las termocuplas con valores máximos de 70ºC o más.
MÓDULOS Y ENSAMBLAJES POSIBLES DE LA LÍNEA MELCOR
A- Serie FC- subminiatura, baja y media capacidad, módulos TE de baja corriente para usar en sistemas
donde los factores determinantes son espacio limitado, mínimo consumo y alta seguridad.
B- Serie CP- bajo costo, media y alta capacidad, módulos de propósito general para equipos de
enfriamiento tales como instrumentación, aparatos de laboratorio, comerciales y militares.
C- Ensamblajes en cascada: elementos multietapas, diseñados y fabricados para requerimientos
especiales de grandes diferenciales de temperatura.
D- Bombas de calor ensambladas: paquetes que incluyen FRIGICHIPS diseñados y fabricados por
pedidos especiales.
Vistas de una celda*:
*No pertenece a una celda de la empresa Melcor.
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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS
REALIZADO POR:
INIESTA JOSÉ MANUEL
Y
PÉREZ CRISTIÁN FEDERICO
[email protected]
2002
Información perteneciente a: web.frm.utn.edu.ar\tecnologiae\index.html
Para más información y novedades consultar: www.melcor.com
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