Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Regulace teploty pomocí Peltierových termoelektrických modulů

číslo 11/2005

Regulace teploty pomocí Peltierových termoelektrických modulů

Pavel Kubina

Thermoelectric cooling modules are used, especially in a few last years, in various applications where the very precise temperature control is needed. In special cases, they allow to control temperature with accuracy 0.001 K. Precise control is conditioned by a good design of the controller and whole thermoelectric system. Typical application of thermoelectric modules is a temperature stabilization of the crystal in a laser diode when the good wavelength stability is desired, for example for spectroscopy. The paper summarizes application aspects of design of thermoelectric systems.

Termoelektrické chladicí moduly jsou zejména v několika posledních letech využívány v nejrůznějších aplikacích vyžadujících velmi přesnou regulaci teploty. Ve speciálních případech umožňují regulaci teploty s přesností 0,001 K. Přesná regulace je podmíněna správným návrhem regulátoru a celého termoelektrického systému. Typickou aplikací termoelektrických modulů je stabilizace teploty krystalu laserové diody, je-li požadována velká stabilita vlnové délky, např. pro využití ve spektroskopii. Článek shrnuje praktické aspekty při návrhu termoelektrického systému.

1. Termoelektrický jev

Podstatou termoelektrického jevu je přímá přeměna tepelné energie v energii elektrickou nebo naopak. V roce 1834 objevil J. CH. A. Peltier, že při průchodu stejnosměrného proudu místem styku dvou různých vodičů se uvolňuje nebo je pohlcováno teplo. Množství tohoto tepla, označovaného Peltierovo teplo, je úměrné procházejícímu proudu. Zda je v místě styku obou vodičů teplo uvolňováno či pohlcováno, závisí na směru procházejícího proudu [1]. (Pozn. red.: Stručný životopis J. CH. A. Peltiera najdou zájemci např. v článku J. Heřmana Vývoj názorů na podstatu elektřiny (40) v časopise Elektro, 2004, č. 4..

Podnětem k využití Peltierova jevu v různých zařízeních určených především pro chlazení bylo teprve objevení nových materiálů, jež jsou vhodné pro výrobu účinných polovodičů. Příhodné fyzikální vlastnosti materiálů vhodných pro výrobu Peltierových termoelektrických článků jsou zahrnuty v tzv. součiniteli efektivnosti Z (K–1), který je pro materiál ideálního článku určen vztahem

Z = (a2 s) / l     (1)

resp.

Z = a2 / (l r)     (1a)

kde a je Seebeckův koeficient (V·K–1), s měrná elektrická vodivost (S·m–1), l měrná tepelná vodivost (W·m–1·K–1), r měrný elektrický odpor (W·m).

Obr. 1.

Obr. 1. Peltierův chladicí článek

Materiál pro Peltierův termoelektrický článek by měl mít tyto vlastnosti [2]: velký Seebeckův koeficient, malou měrnou tepelnou vodivost a velkou měrnou elektrickou vodivost, resp. malý měrný elektrický odpor.

1.1 Peltierův článek
Peltierův článek se skládá ze dvou větví (sloupků) hranolovitého tvaru (obr. 1). Sloupky, tvořené polovodiči typu P a N, jsou na jedné straně vodivě spojeny spojovacím můstkem. Spodní kontaktní plošky na druhé straně jsou určeny pro přívod elektrické energie. Spojovací můstek a kontaktní plošky absorbují nebo vyzařují teplo. V místě styku polovodiče se spojovacím můstkem vzniká nežádoucí přechodový odpor, který značně ovlivňuje dosažitelnou chladicí kapacitu Q článku (J) a maximální rozdíl teplot mezi teplou a studenou stranou DTmax (K). Ideálně je množství absorbovaného tepla na studené straně a vyzářeného tepla na teplé straně závislé na součinu Peltierova koeficientu a proudu procházejícího polovodičem. V praxi je množství tepla Q absorbovaného na studené straně, udávající skutečnou chladicí kapacitu článku, sníženo o Jouleovo teplo a teplo přivedené sem vedením z teplé strany článku. Rozdíl teplot mezi teplou a studenou stranou polovodičového materiálu totiž způsobuje přechod tepla v polovodiči z chladné strany na teplou. Zvýší-li se proud tekoucí obvodem, zvětší se rozdíl teplot mezi oběma stranami, ale také množství tepla vedeného polovodičem. Proud, při kterém už nedochází k dalšímu ochlazování, je označován Imax.

Jednotlivé Peltierovy články se obvykle zapojují do série do větších celků, tzv. Peltierových modulů (termobaterií). Každý polovodič v modulu se nazývá element, pár elementů tvoří termočlánek. Pro dosažení větších rozdílů teploty se spojují jednotlivé termoelementy do kaskády (vícestupňové moduly) [5].

2. Termoelektrický chladicí systém

Termoelektrické systémy plní stejnou chladicí funkci jako běžné kompresorové a absorpční chladicí systémy, totiž „přečerpávají“ energii z jednoho místa na druhé. Konvenční mechanické chladicí systémy jsou v oblasti chladicích výkonů pod 25 W neekonomické. Zařízení pracující s termoelektrickými moduly mají oproti mechanickým systémům nesporné výhody v úplné nehlučnosti chodu, teoreticky neomezené životnosti, možnosti lokálního chlazení a plynulé regulace chladicího výkonu včetně okamžité reverzace na topný výkon. Jsou vhodné pro chlazení malých prostorů či zařízení vyžadujících jen velmi malý chladicí výkon, kde je např. kompresorové chlazení pro svoji složitost nebo závislost na správné pracovní poloze nevyhovující. Nejnižší teplota s termoelektrickými moduly dosažitelná v praxi je kolem –100 °C. Chladicí výkon při takových teplotách ale dosahuje pouze několika miliwattů.

2.1 Volba typu termoelektrického modulu
Kritériem výběru vhodného modulu jsou tyto tři základní parametry:

  • teplota studené strany Tc,
  • teplota teplé strany Th,
  • celkové množství tepla Q, které musí studená strana modulu absorbovat.

S použitím výkonových charakteristik vhodného modulu lze zpracovat přesnou analýzu pro konkrétní použití (výběr chladičů apod.) Mnoho výrobců termoelektrických modulů pro tuto práci poskytuje programy CAD generující všechny podrobné charakteristiky.

Je-li chlazený objekt v přímém kontaktu se studenou stranou, obvykle se volí teplota studené strany Tc stejná, jako má být požadovaná teplota objektu Tp. V případě, že objekt není v přímém kontaktu se studenou stranou, např. při chlazení prostoru, zvolí se teplota studené strany o několik stupňů nižší, než je žádaná teplota.

Teplotu Th na teplé straně modulu určují dva hlavní parametry. Prvním je teplota To okolního prostředí, do kterého je odváděno teplo vyzařované modulem. Druhým parametrem je účinnost chladiče, který je umístěn mezi teplou stranou modulu a okolním prostředím. Respektováním těchto dvou parametrů lze zjistit potřebný teplotní rozdíl chladicího systému DTs. Nelze ovšem jednoduše vybrat modul, jehož maximální rozdíl teplot mezi studenou a teplou stranou DT je stejný jako skutečný rozdíl teplot chladicího systému DTs. Z obr. 2 je zřejmé, že neplatí rovnost DT = DTs.

Obr. 2.

Obr. 2. Zjednodušené schéma chladicího systému s grafickým rozložením teplot (Tp – teplota chlazeného prostoru, Tcc – teplota chladiče chladné strany článku, Tc – teplota chladné strany článku, Th – teplota teplé strany článku, Thc – teplota chladiče teplé strany článku, To – teplota okolí

Při stanovování celkového množství tepla Q, které musí studená strana modulu absorbovat, je nutné nejenom znát výkon potřebný pro ochlazení např. nějakého prostoru, ale také uvažovat všechny zdroje tepla, které chladicí výkon snižují (aktivní – Jouleovo teplo a pasivní – teplo pronikající do objektu nedokonalou izolací, teplo způsobené kondenzací vody apod.).

2.2 Výběr chladiče teplé strany
Je-li vybrán dostatečně výkonný modul, který je schopen dosáhnout žádaného rozdílu teplot, je důležité se zaměřit na klíčovou část návrhu systému. Tím je volba chladiče na teplé straně. Jak již bylo uvedeno, skutečný teplotní rozdíl systému DTs je dán především rozdílem teplot na teplém a studeném chladiči (je-li uvažován systém na obr. 2). V okamžiku připojení termoelektrického modulu ke zdroji elektrické energie dochází na teplé straně modulu k vyzařování tepla, což je doprovázeno růstem teploty – ohřevem chladiče. Další zvýšení teploty teplého chladiče způsobuje energie, která se při chlazení absorbuje na studené straně (a o niž zde vlastně jde). Ta je modulem přenesena a vyzářena rovněž teplou stranou modulu. Na teplé straně modulu je tedy třeba zajistit masivní odvod tepla. Začne-li se chladič na teplé straně příliš zahřívat, zvyšuje se teplota i na studené straně.

Pro chlazení teplé strany modulu lze použít tyto způsoby:

  • Žebrovaný chladič ofukovaným ventilátorem. Ventilátor rozptýlí teplo uvolněné chladičem do okolního prostředí. I přes použitou nucenou cirkulaci vzduchu se na chladiči ustálí teplota Thc o 10 až 15 °C vyšší než teplota okolí To.

  • Žebrovaný chladič bez přídavného ventilátoru. Tento způsob je používán minimálně, protože přirozená cirkulace vzduchu nestačí odvádět teplo z chladiče. Teplota na chladiči Thc je o přibližně 20 až 40 °C vyšší než teplota okolí To.

  • Nejúčinnějším řešením je chlazení měděným nebo hliníkovým blokem protékaným vodou. S takovým uspořádáním lze dosáhnout nejmenšího tepelného odporu chladiče. Nevýhodou tohoto řešení jsou vyšší pořizovací náklady a složitější instalace.

Obr. 3.

Obr. 3. Dva druhy Peltierových modulů s různými distančními vložkami (vlevo hermetizovaný proti vlhkosti)

2.3 Mechanická konstrukce sestavy
Po výběru všech komponent je nutné navrhnout mechanické uspořádání celé sestavy. Konstrukční řešení značně ovlivňuje chladicí výkon termoelektrického systému. Je-li vyzařovací výkon použitého chladiče pro odvod tepla z modulu nedostatečný nebo nejsou-li všechny styčné plochy komponent sytému dobře tepelně vodivé, může dojít i ke zničení Peltierova modulu.

2.4 Instalace Peltierova modulu
Modul musí být v dobrém kontaktu jak s chlazeným prostorem nebo plochou chlazeného předmětu na studené straně, tak i s chladičem na teplé straně. Povrch přítlačných ploch musí být dostatečně hladký a tolerance rovinnosti nesmí přesahovat 25 µm. Styčná plocha modulu s chladičem musí být dostatečně tepelně vodivá, proto se před montáží na obě plochy modulu nanese rovnoměrná tenká vrstva tepelně vodivé pasty pro zmenšení tepelného odporu. Modul je potom třeba přitlačit na chladič. Dále je vhodné odstranit přebytečnou pastu. Stejným způsobem se přiloží studená přítlačná plocha na chlazený předmět nebo chladič studené strany. Vzniklý celek je třeba sešroubovat s použitím tepelně izolačních podložek nebo je vhodné použít plastové šrouby (mají malou tepelnou vodivost). Postupně se citlivě, předepsaným utahovacím momentem utahují všechny upevňovací šrouby. Utahovací moment nesmí být příliš velký, jinak by mohly popraskat vnitřní termoelektrické články. Mezi studenou stranu a chladič se pro zvětšení tloušťky modulu často vkládá měděný nebo hliníkový hranolek stejného půdorysu, jako má Peltierův článek (obr. 3). Tím se zvětší vzdálenost mezi chladiči a zlepší se tepelná izolace. Distanční hranolek není vhodné umísťovat na teplou stranu, protože tou protéká větší množství tepla. Hranolek by také na teplé straně vytvářel další přechod, který by snižoval dosažitelný rozdíl teplot více než na studené straně.

2.5 Spolehlivost termoelektrických systémů
Termoelektrické moduly neobsahují žádné pohyblivé mechanické díly. Lze s nimi konstruovat i miniaturní vysoce spolehlivé chladicí moduly. Výrobci zaručují průměrnou dobu bezporuchového chodu (MTBF – Mean Time Between Failtures) při pracovní pokojové teplotě 200 000 až 300 000 h (22 až 34 let). Většina poruch je způsobena špatnou instalací modulu nebo překračováním rozsahu pracovních teplot udávaného výrobcem. Poškodit nebo zničit modul může vodní pára kondenzující uvnitř modulu, protože způsobuje korozi termočlánků i jednotlivých spojení. Vlhkost může být také příčinou elektrického zkratu v modulu. Moduly ve zvýšené kvalitě jsou proto hermetizovány proti vlhkosti (obr. 3).

3. Regulace teploty

Volba typu regulátoru teploty závisí na dané aplikaci. Pro chlazení boxů určených např. pro transport biologických materiálů postačí jednoduchý dvoustavový regulátor. U náročnějších aplikací se používá PID regulátor. S výhodou lze využít integrované obvody určené přímo pro řízení Peltierových modulů. Například výrobce Maxim nabízí řídicí obvod Max 1978, který obsahuje PID regulátor, H-můstek, monitory atd. (obr. 4). Výkon termoelektrického modulu je řízen proudem tekoucím modulem. Obvod umožňuje nastavit maximální proud tekoucí modulem Imax a maximální napětí modulu Umax. Tato funkce je užitečná v případě, kdy se z určitých důvodů může zhoršit odvod tepla z teplé strany modulu. Nedostatečným chlazením teplé strany narůstá teplota na studené straně, kde bývá umístěn senzor teploty. Ten pracuje jako zpětná vazba regulátoru. Zvýšení teploty způsobí zvětšení proudu tekoucího modulem, ale to vede jenom k dalšímu nadměrnému ohřevu celého modulu, což může být příčinou jeho destrukce.

3.1 Snímače teploty
Typ senzoru teploty a jeho uložení v termoelektrickém modulu přímo ovlivňují stabilitu regulované teploty. Většina monolitických řídicích obvodů je schopna zpracovat signály z mnoha senzorů teploty. Výběr snímače opět závisí na druhu použití a také na těchto základních parametrech: požadovaná linearita, teplotní rozsah, citlivost a mechanické rozměry snímače. Nejčastěji se pro svoji velkou citlivost a miniaturní rozměry používají termistory typu NTC (Negative Temperature Coefficient). Odpor těchto termistorů se zmenšuje (nelineárně) se vzrůstající teplotou. Díky malým rozměrům je lze precizně upevnit ke chlazenému objektu. Mají velkou citlivost a lze jimi měřit i velmi rychlé teplotní změny. Zásadní nevýhodou termistorů NTC je jejich velká nelinearita.

Obr. 4.

Obr. 4. Blokové schéma řídicího obvodu

Integrované snímače teploty (AD 572, LM335, DS18B20), obsahující kromě senzoru i linearizační obvod, vykazují výbornou linearitu v celém rozsahu měřených teplot. Tyto snímače lze snadno připojit k řídicímu systému a nacházejí uplatnění v případech, kde není nutná velká přesnost. Nevýhodou těchto snímačů je pomalá odezva (desítky sekund).

4. Shrnutí

Chlazení Peltierovými moduly je díky jejich malým rozměrům a snadnému ovládání zajímavou alternativou konvenčních mechanických chladicích systémů v oblasti malých chladicích výkonů. Významným faktorem ovlivňujícím rychlost chlazení je kvalita izolace chlazeného prostoru nebo objektu. Při vyšších okolních teplotách je nutná větší chladicí kapacita pro kompenzaci tepla pronikajícího do vnitřního prostoru vlivem nedokonalé izolace. Při návrhu termoelektrických systémů je nutné vždy najít optimum výkonu Peltierova modulu a použitých chladičů. Nejúčinnějším řešením je chlazení modulu měděným nebo hliníkovým blokem protékaným vodou. S takovým uspořádáním lze dosáhnout nejmenšího tepelného odporu chladiče. Nevýhodou tohoto řešení jsou vyšší pořizovací náklady a složitější instalace.

Literatura:
[1] ROWE, D. M.: Handbook of Thermoelectrics. CRC Press, July 1995, ISBN 0849301467.
[2] SHARP, J. – GOLDSMID, H. J. – NOLAS, G. S.: Thermoelectrics Basic Principles and New Materials Development. Springer Verlag, August 2001.
[3] MIKYŠKA, L. Termoelektrické články. SNTL, Praha, 1964, ISBN 301-05-35.
[4] GOLAB, F. – KAMENČÁK, F.: Termoelektrické jevy a jejich užití. SPNKL, Praha, 1975, ISBN 14-655-75.
[5] STARÝ, Z.: Peltierův jev. Webové stránky firmy Con Brio. Dostupné na http://conbrio.web.tiscali.cz (poslední aktualizace 24. 5. 2005, cit. 21. 10. 2005).

Ing. Pavel Kubina,
katedra měřicí a řídicí techniky,
VŠB – Technická univerzita Ostrava
(pavel.kubina@vsb.cz)