Projeto de placa fria termoelétrica para módulos Peltier

Uma placa fria TEC ou placa Peltier pode ser uma superfície metálica de contato direto que resfria um componente, um bloco líquido que condiciona um fluido ou o elemento do lado frio de um conjunto completo com TECs, rejeição de calor, sensores e controle.

A terminologia deve ser esclarecida no início: algumas equipes chamam o espalhador do lado da carga de placa fria, enquanto outras usam esse nome apenas para um trocador líquido usinado. Um desenho do limite e das interfaces evita que a arquitetura errada seja cotada.

O contato direto oferece um caminho curto até uma carga sólida e pode ser mecanicamente simples. A placa líquida transporta resfriamento por um circuito e atende uma carga remota ou distribuída, mas acrescenta perda de pressão, vedações, seleção da bomba e compatibilidade do fluido.

Ligas de alumínio oferecem baixa massa, boa usinabilidade e condutividade térmica útil. O cobre possui condutividade maior e pode melhorar o espalhamento em geometrias restritas, mas aumenta massa, custo e cuidados de usinagem.

Tratamento superficial, corrosão, química do fluido, pares galvânicos, limpeza e método de vedação podem ser mais importantes que a condutividade do material. Por isso, cobre não é automaticamente a melhor escolha do sistema. Inclua compatibilidade mecânica e com o fluido na seleção.

Uma placa fina pode flexionar, desenvolver gradientes locais ou não espalhar o calor entre um TEC pequeno e uma carga maior. Uma placa espessa pode melhorar o espalhamento, mas aumenta massa, tamanho, custo e inércia térmica, tornando o resfriamento inicial e a resposta do controle mais lentos.

A espessura correta depende da diferença entre as áreas, do mapa de fluxo térmico, do gradiente permitido, da disposição dos fixadores e do requisito transitório. Com vários TECs, avalie espaçamento e perdas de borda para evitar pontos frios sobre cada módulo e zonas quentes entre eles. Não existe uma espessura ideal para todos os projetos.

As interfaces TEC-placa e placa-carga precisam de planicidade suficiente e camada de interface controlada. Pasta térmica ou outro TIM preenche irregularidades microscópicas, mas não deve compensar grandes erros geométricos.

Use um padrão de fixação ou distribuidor de carga compatível que aplique compressão uniforme. Evite carga pontual, flexão da cerâmica, faces inclinadas e esforços transmitidos pelos tubos. A pressão permitida e o torque dos fixadores devem seguir o TEC selecionado, a rigidez da placa e o método de montagem, e não um valor genérico.

Canais em serpentina forçam toda a vazão por um único percurso e podem oferecer residência previsível, mas a perda de pressão cresce com o comprimento. Canais paralelos ou múltiplos podem reduzir a perda e melhorar a cobertura, porém exigem coletores equilibrados para evitar distribuição desigual.

Posição de entrada e saída, seção do canal, zonas mortas, retirada de bolhas, curva vazão-pressão da bomba, vedações e compatibilidade do fluido devem ser projetadas juntas. O melhor padrão depende da distribuição do fluxo térmico e dos limites hidráulicos; nenhum tipo de canal é sempre superior.

Um TEC pode atender uma carga compacta e centralizada quando o espalhamento é suficiente. Cargas maiores ou não uniformes podem exigir uma matriz, mas cada módulo adicional aumenta a entrada elétrica e Qh no lado quente.

Defina o espaçamento dos TECs a partir do espalhamento e do mapa real da carga. Confirme que o dissipador ou bloco líquido do lado quente suporta todos os módulos, inclusive os das bordas. Meça a temperatura do centro às extremidades e os pontos quentes locais com montagem e isolamento representativos.

Um sensor superficial controla a temperatura da placa; um sensor junto à carga controla a condição sentida pelo produto; sensores de entrada e saída revelam o calor absorvido pelo fluido; e um sensor no lado quente protege TEC e dissipador. São objetivos de controle diferentes.

Posicione o sensor principal onde represente a variável crítica sem ser dominado por um ponto frio local do TEC. Atraso de resposta, fixação do sensor, condução pelos fios e ajuste do controlador afetam a estabilidade. A medição de segurança deve ser independente quando um único sensor não protege todos os modos de falha.

Sempre que a placa ou os tubos operarem abaixo do ponto de orvalho ambiente, trate a condensação como condição de projeto. Isole superfícies e bordas frias expostas, limite caminhos de vapor e ofereça um percurso controlado para a água que ainda se formar.

Proteja a eletrônica contra gotejamento e umidade condutiva, selecione selantes compatíveis com ciclos térmicos e evite falhas de isolamento ao redor de conexões e sensores. O ponto de orvalho depende de umidade e temperatura ambiente; testar apenas em laboratório seco não é suficiente.

Uma placa fria fabricável começa com limites mecânicos, térmicos e de fluido bem definidos.

Use a análise para reduzir as opções e deixe as medições do protótipo fechar a diferença entre o modelo e o conjunto real.

O desempenho da placa fria depende de todo o caminho da carga para a placa, o TEC, o lado quente e o ambiente. Rigidez mecânica, distribuição do fluido, medição e proteção contra condensação fazem parte do desempenho térmico, e não são detalhes secundários.

A Arkmex pode desenvolver placa fria, matriz TEC, dissipador ou circuito de água do lado quente, sensores e controlador ao redor da geometria do equipamento do cliente. Um desenho completo das interfaces e o envelope de operação são o melhor ponto de partida.