SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS THERMOELECTRICS
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FR IGICHIP 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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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS THERMOELECTRICS COMO USAR GRÁFICAS UNIVERSALES DE DESEMPEÑO Convertir los valores de la e scala 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 e n 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 T h 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)
=35ºC – – 5ºC=30ºC. 5ºC=30ºC. Elija la corriente de operación (típicamente desde 30G a 40G) T =35ºC a 35G (igual 35/50=70% de Imax).
2)
Con Th=35ºC, desde la gráfica ( T =30º, I=35G), se obtiene Qc/GxN=1.65. Luego GxN=Qc/1.65=18.8.
3)
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” Thermoelem Thermoelement ent H Height. eight.
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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS THERMOELECTRICS 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 es seleccionar TE apropiado para satisfacer los poder requerimientos aparato. Tresproblema parámetros específicose1deldispositivo sistema deben ser determinados antes de comenzardel la selección del dispositivo. Ellos son: - - -
Tc temperatura de superficie fría. Th temperatura de superficie caliente. Qc la cantidad de calor a ser 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 te mperatura 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 te mperatura deseada del objeto. La temperatura de la superficie caliente es definida por 2 parámetros: 1- La temperatura del ambiente a mbiente 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 di ferencia 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 cargado o I 2 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 Qc como el calor absorbido en la juntura fría dividido por el de la entrada . 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 MELCOR recomienda no más del 10% de ripple.
T Tmax
1 1 N
2
donde N = % corriente 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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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS THERMOELECTRICS 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 calor o adicionar resistencia térmic térmica. a. 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 T.I.R. Si esexceder necesario más de un ensamblar módulo entre variación de altura entre de los 0.003" módulos no debe +/-usar 0.00075”.Para los platos TE usecomunes capas delagrasa 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 provisto por la sección insertada de la celda cerrada de espum espumaa 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 i ntegridad 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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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS THERMOELECTRICS FÓRMULAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR: l- Calor ganado o perdido por la pared que contiene el aislante. Q
A
T x
k
1
h
BTU . hr
Q = calor en
.
A = área de la superficie externa del contenedor en Ft
2
T = temperatura diferencial entre el interior y el exterior del contenedor x = espesor de
aislación
º
.
F
Ft .
BTU hr Ft F . BTU h = coeficiente medio de transferencia de calor en hr Ft º F .
K = conductividad térmica media de aislación
º
2
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 F º
m
= peso del material en
lb . F .
T = cambio de temperatura del material en
º
BTU . hr
Q =calor adicionado o removido en
Recordamos que el dispositivo TE no adiciona o remueve calor a un régimen constante cuando varía. Una buena primera aproximación puede ser obtenida usando el: Q(medio )
Q( Tmax ) Q(Tmin ) 2
T
3-- Calor transferido hacia o desde una superficie por Convección
Q h A T Donde:
BTU hr
Q =calor en
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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS THERMOELECTRICS h = coeficiente de transferencia de calor en
BTU hr Ft º F . 2
1 - 5 convección libre - gases 2 - 20 convección forzada – gases gases A = área de superficie expuesta en Ft T = temperatura de superficie
º
2
.
.
F
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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS THERMOELECTRICS CONFIABILIDAD: MODOS DE FALLAS Y TIEMPO MEDIOS ENTRE FALLAS (MTBF): ( 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 1 00000 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 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 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. esto, en ambientes con vibraciones, es necesario tomar cuidados en cuanto al ensamblaje y o montajePor de los TE.
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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS THERMOELECTRICS 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 0.11”.
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” y las subminiaturas 0.16”x0.16”x
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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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS THERMOELECTRICS 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 p equeños 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
Th = temperatura de superficie caliente de T = Th - Tc en
F . º
los módulos en
F o en C . º
º
C . º
BTU o Watts . hr
Q = calor bombeado en
A . V = tensión de entrada en V .
I = corriente
de entrada en
DC
Las curvas incluyen 3 sets de gráficos, para diferentes valores de Th. El conjunto central de gráficos está basado en Th = 35°C. El E l 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. p arámetros. 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 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 BTU/hr (3 x 36) lo cual es más de lo que se nece necesita. sita. 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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SOLID STATE COOLING WITH THERMOELECTRICS THERMOELECTRICS 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" sink" de mayor temperatura. El sistema tradicional tiene partes mecánicas en movimiento mientras que los elementos TE son totalmente de estado sólido. Las bombas estado de sólido termocuplas hechas cristales alta performance. Pasando una de corriente lado usa a lado de las bombas de de calor generasemiconductores un diferencial dede temperatura a través de las termocuplas con valores máximos de 70ºC o más. MÓDULOS Y ENSAMBLAJES POSIBLES DE LA LÍNEA MELCOR MEL COR 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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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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