Hệ thống làm mát nhiệt điện: thiết kế và ứng dụng TEC

Hệ thống làm mát nhiệt điện là cụm làm lạnh và điều khiển dựa trên hiệu ứng Peltier. Tùy người mua và ứng dụng, nó còn được gọi là hệ Peltier, cụm Peltier hoặc hệ TEC.

Một mô-đun nhiệt điện chứa nhiều cặp phần tử bán dẫn nối điện tiếp tiếp và nối nhiệt song song.

Khi cấp điện một chiều, nhiệt được hấp thụ ở phía lạnh và giải phóng ở phía nóng. Điều khiển chiều và cường độ dòng cho phép làm lạnh, gia nhiệt hoặc điều chỉnh hai chiều.

Trong thiết bị OEM, mô-đun đơn lẻ chưa đủ. Hệ hoàn chỉnh phải thải nhiệt phía nóng, truyền nhiệt từ vật tới phía lạnh, chống ngưng tụ và điều khiển chính xác.

Làm mát nhiệt điện chuyển nhiệt qua các mối nối bán dẫn. Khi electron và lỗ trống đi qua vật liệu khác nhau, chúng mang năng lượng nhiệt; một bên lạnh do hấp thụ và bên kia nóng do giải phóng.

Phía nóng phải được làm mát liên tục. Nếu nhiệt tích tụ, nhiệt độ phía lạnh tăng và hiệu suất của toàn hệ điều khiển giảm.

Các thuật ngữ quan trọng gồm công suất làm mát, Delta T, hệ số hiệu suất, điện trở nhiệt phía nóng và độ chính xác khi môi trường hoặc tải thay đổi.

Bộ trao đổi nhiệt loại bỏ nhiệt khỏi phía nóng mô-đun. Nó có thể gồm bộ tản nhiệt nhôm hoặc đồng, dàn cánh, quạt, ống nhiệt, tấm chất lỏng hoặc kênh gió tùy chỉnh.

Bộ trao đổi phải thải cả nhiệt bơm từ phía lạnh và điện năng mô-đun tiêu thụ. Nếu thiết bị lấy 40 W và mô-đun dùng 60 W, phía nóng có thể cần thải khoảng 100 W.

Với OEM, bộ trao đổi thường phải tùy chỉnh vì sản phẩm chuẩn không vừa vỏ, đường khí, giới hạn tiếng ồn hoặc vị trí lắp.

Hệ nhiệt điện không thay thế máy nén trong mọi tình huống. Máy nén thường hiệu quả hơn cho công suất lạnh cao và tải liên tục lớn.

TEC thường mạnh khi sản phẩm cần kích thước nhỏ, rung thấp, không môi chất lạnh, cấu trúc sạch, đáp ứng nhanh và điều khiển chính xác trong vỏ nhỏ.

Điều đó phù hợp thiết bị y tế, hệ phân tích, mô-đun quang, máy thẩm mỹ, điện tử nhúng và các sản phẩm chính xác khác.

Hệ hoàn chỉnh kết hợp một hoặc nhiều mô-đun, tấm hoặc khối lạnh, bộ trao đổi phía nóng, cảm biến, bộ điều khiển, tầng công suất, cách nhiệt và vỏ cơ khí.

Giao diện lạnh có thể là tấm nhôm, khối đồng, tấm chất lỏng, ngón lạnh, tấm tiếp xúc y tế hoặc chi tiết gia công. Tiếp xúc, vật liệu giao diện và lực ép đều rất quan trọng.

Bộ điều khiển thường chạy vòng kín: cảm biến đo nhiệt, bộ điều khiển so với setpoint và tầng công suất điều chỉnh dòng bằng PID, dòng không đổi, PWM hoặc hai chiều.

Làm mát bán dẫn cho kỹ sư nhiều tự do. Cùng công nghệ có thể hỗ trợ khí, chất lỏng, tiếp xúc trực tiếp, làm mát điểm và điều khiển chính xác.

Ưu điểm gồm kích thước nhỏ, setpoint chính xác, đáp ứng nhanh, không môi chất, rung thấp, hình dạng linh hoạt và khả năng nóng/lạnh bằng đảo dòng.

Các ưu điểm hữu ích nhất khi hệ phải tích hợp trong không gian hạn chế gần nguồn nhiệt hoặc linh kiện nhạy cảm.

Laser y tế, thẩm mỹ và IPL dùng TEC cho diode, quang học, tay cầm và bề mặt tiếp xúc bệnh nhân cần rung thấp cùng điều khiển chính xác.

Thiết bị phòng thí nghiệm và phân tích dùng TEC cho mẫu, cảm biến, quang học, thuốc thử, buồng dò, máy phân tích nhỏ, mô-đun PCR và hệ tạo ảnh.

Điện tử công nghiệp, camera, cảm biến, mô-đun quang, pin, vỏ kín và sản phẩm nhúng dùng bán dẫn khi cần ổn định cục bộ mà không có máy nén lớn.

Lựa chọn bắt đầu từ tải thực, nhiệt độ mục tiêu, môi trường cao nhất, không gian, nguồn, tiếng ồn, cách lắp và mục tiêu độ tin cậy.

Kỹ sư cần xác định số watt phải loại bỏ, phía lạnh có dưới điểm sương không, điện áp và dòng có sẵn, và ứng dụng chỉ làm lạnh hay cần vòng kín chính xác.

Với OEM, cần trả lời sớm để hệ tùy chỉnh được thiết kế quanh sản phẩm thay vì ép sản phẩm theo mô-đun chuẩn.

Khi phía lạnh dưới điểm sương, nước có thể hình thành. Thiết kế tốt có thể dùng bịt kín, phủ bảo vệ, thoát nước, bọt cách nhiệt, màng cản hơi, giám sát độ ẩm và giới hạn phần mềm.

Hệ làm mát khí đơn giản, nhỏ và kinh tế cho tải vừa khi vỏ có luồng khí.

Hệ chất lỏng dùng tấm, bơm, radiator, ống và chất làm mát để chuyển nhiệt hiệu quả hơn hoặc tới radiator xa. Cấu trúc lai phổ biến trong OEM tùy chỉnh.

Quy trình chuyên nghiệp gồm phân tích yêu cầu, mô phỏng nhiệt, thiết kế ý tưởng, chế tạo nguyên mẫu, thử hiệu suất, tối ưu và chuẩn bị sản xuất.

Lỗi thường gặp là chỉ chọn theo Delta T tối đa, tản nhiệt phía nóng quá nhỏ, bỏ qua tiếp xúc, lực ép không đều, không chống ngưng tụ và chỉ thử ở môi trường thuận lợi.

Với OEM, hãy chọn nhà cung cấp thiết kế được hệ hoàn chỉnh, không chỉ bán mô-đun. Họ cần hỗ trợ bộ trao đổi, điện tử điều khiển, cảm biến, dây, thử nghiệm, kiểm soát sản xuất và tùy chỉnh.