خطوات اختيار وتصميم المبرد الكهروحراري

الكلمات الدالة
TEC
مبرد TEC

محتويات المقالة
يُعد اختيار الثلاجة الكهروحرارية عملية متكررة. فبالإضافة إلى معلومات الحجم الأساسية، هناك عادةً TEC تتضمن المواصفات المعلومات الأساسية التالية:
Qcmax: كمية الحرارة التي يمكن لمبرد حراري كهربائي نقلها عندما يكون الفرق في درجة الحرارة بين الأسطح الساخنة والباردة 0 درجة مئوية.
إيماكس: الحد الأقصى للتيار المسموح به عبر المبرد الحراري الكهربائي؛
VMAX: الجهد عند كلا طرفي المبرد الحراري الكهربائي عندما يمر التيار الأقصى؛
دي تي ماكس: إن أقصى فرق في درجة الحرارة يتم الوصول إليه بين طرفي المبرد الحراري الكهربائي عندما يمر التيار الأقصى عبر المبرد الحراري الكهربائي، وفي نفس الوقت تكون الحرارة المحملة بواسطة المبرد الحراري الكهربائي صفرًا.
شرطي: معامل الأداء المركب، وهو نسبة القيمة الحرارية للتبريد إلى طاقة الإدخال Qc/(V*I)؛
ذ: درجة حرارة الطرف الساخن للمبرد الحراري الكهربائي؛
RAC: مقاومة المبرد الحراري الكهربائي

يوضح الشكل التالي جدول المعلمات الأساسية لـ Laird TEC:

بالنسبة لـ TEC، عند اختلاف درجة حرارة التشغيل، ستختلف أيضًا المعلمات الرئيسية المذكورة أعلاه بسبب تغير الأداء الكهربائي. في هذا المثال، تم ضبط معلمة الأداء على 50 درجة مئوية عند الطرف الساخن. لنفترض أن سيناريو الطلب هو: استهلاك طاقة رقاقة التسخين 20 واط، ويجب التحكم في درجة الحرارة عند 26 درجة مئوية. بناءً على ذلك، تُحسب نقطة التشغيل (تيار التشغيل وجهد التشغيل) لـ TEC. عند التحكم في درجة حرارة الرقاقة عند 26 درجة مئوية، يجب أن تكون الزيادة في درجة الحرارة 24 درجة مئوية. وفقًا لجدول سعة التبريد والتيار وفرق درجة الحرارة في المواصفات، يجب أن يكون تيار التشغيل 4 أمبير.

يشير تيار 4A هنا إلى التيار عندما يعمل TEC بثبات. عند بدء التشغيل، يكون تيار التشغيل أعلى قليلاً. في بعض مواصفات TEC، يتم أيضًا توفير مخططات فرق الجهد والتيار ودرجة الحرارة. في هذه الحالة، يمكن العثور على خط الجهد المقابل في هذا المخطط، ويكون فرق درجة الحرارة صفرًا (في الحالة الأولية، يكون فرق درجة الحرارة بين الأسطح الساخنة والباردة صفرًا)، ويمكن الحصول على قيمة التيار الأولية بأثر رجعي. إذا لم يتم توفير هذا المخطط في المواصفات، فعادةً ما يتم ضبطه على ~1.2 مرة من قيمة تيار الحالة المستقرة. وفقًا لمخطط فرق التيار والجهد ودرجة الحرارة، تحقق من أن جهد التشغيل هو 4.5 فولت. وفقًا لجهد التشغيل والتيار، من أجل تحقيق انتقال الحرارة الحالي والحفاظ على فرق درجة الحرارة المطلوب، فإن طاقة الإدخال المطلوبة هي Pin = I * V = 4A * 4.5V = 18W. كان معامل الكفاءة الشامل لـ TEC هو COP = 20W/18W= 1.11.

من هذا الشكل، لا يمكن التحقق من قيمة معامل الأداء فحسب، بل يمكن أيضًا تحديد أعلى نقطة كفاءة لوحدة التحكم الإلكترونية (TEC) العاملة في ظل هذا الاختلاف في درجة حرارة التشغيل والجهد. وكما يوضح الشكل، من الواضح أن قيمة معامل الأداء ليست مثالية. تحقق وحدة التحكم الإلكترونية هذه استهلاك طاقة يبلغ 20 واط. عندما تكون درجة الحرارة المحيطة 24 درجة مئوية ودرجة حرارة وصلة الشريحة 26 درجة مئوية، يكون دخل الطاقة الإضافي 18 واط. لتحقيق هذا التأثير، يجب استيفاء المعلومتين التاليتين:

يجب أن يكون إعداد الدائرة قادرًا على دعم الطلب الحالي لـ TEC؛
يمكن لمبدد الحرارة المُجمَّع على السطح الساخن لـ TEC أن يفقد 38 وات من الحرارة بشكل ثابت (القيمة الحرارية للرقاقة هي 20 وات + طاقة الإدخال لـ TEC هي 18 وات) تحت فرضية الحفاظ على درجة حرارة السطح الساخن عند 50 درجة مئوية.

لذا، من الواضح أن تصميم واختيار وحدة التبريد الكهروحرارية (TEC) يتطلبان تصميمًا متطابقًا للدائرة والمبرد. علاوة على ذلك، فإن الحمل الحراري للمشتت الحراري يساوي مجموع حرارة الشريحة وقدرة الإدخال لوحدة التبريد الكهروحرارية. عندما لا تكون قيمة معامل الأداء (COP) لوحدة التبريد الكهروحرارية عالية، فإنها تحتاج إلى قدرة إدخال أعلى لنقل الطاقة النوعية للشريحة في الوقت المناسب، مما لا يقلل فقط من كفاءة الطاقة للتصميم، بل يزيد أيضًا من الحمل الحراري للمبرد، مما يُعيق عملية نقل الحرارة النهائية. لذلك، يُعد اختيار وحدة التبريد الكهروحرارية عملية تكرارية. قبل الاختيار النهائي، ينبغي استخدام الطرق المذكورة أعلاه لمقارنة قيم الكفاءة الشاملة لوحدات التبريد الكهروحرارية المتعددة، واختيار وحدة التبريد الكهروحرارية ذات أعلى نسبة كفاءة طاقة لتحقيق أقصى قدر من توفير الطاقة وأقل متطلبات تصميم لنظام التبريد الخارجي.

لذا، من الواضح أن تصميم واختيار المبرد الكهروحراري يتطلبان تصميمًا متطابقًا للدائرة والمشع. علاوة على ذلك، فإن الحمل الحراري للمشع يساوي مجموع حرارة الشريحة وقدرة الإدخال للمبرد الكهروحراري. عندما لا تكون قيمة معامل الأداء (COP) للمبرد الكهروحراري عالية، فإنه يحتاج إلى قدرة إدخال أعلى لنقل القدرة النوعية للشريحة في الوقت المناسب، مما لا يقلل فقط من كفاءة الطاقة في التصميم، بل يزيد أيضًا من الحمل الحراري للمشع، مما يُعيق عملية نقل الحرارة النهائية. لذلك، يُعد اختيار المبرد الكهروحراري عملية تكرارية. قبل الاختيار النهائي، ينبغي استخدام الطرق المذكورة أعلاه لمقارنة قيم الكفاءة الشاملة لعدة مبردات كهروحرارية، واختيار المبرد ذي أعلى نسبة كفاءة طاقة لتحقيق أقصى قدر من توفير الطاقة وأقل متطلبات تصميم لنظام التبريد الخارجي.