Efisiensi Pendingin Peltier: Batasan, Panas, dan Pertukaran Baterai

Jawaban singkat: Pendingin Peltier paling efisien pada perbedaan suhu yang sedang karena arus tambahan juga menghasilkan panas.

Pelat yang lebih dingin terdengar lebih baik.

Itu bukan keseluruhan cerita.

Daya yang lebih besar dapat menghasilkan pendinginan yang lebih kuat pada awalnya. Itu juga menghasilkan lebih banyak panas. Baterai habis lebih cepat, dan sisi panas memiliki lebih banyak pekerjaan yang harus dilakukan.

Desain yang baik menyeimbangkan empat hal:

• daya pendinginan;

• perbedaan suhu;

• pembuangan panas; dan

• daya listrik.

Panduan ini mengubah istilah-istilah teknik tersebut menjadi pertanyaan pembelian yang berguna.

Apa arti efisiensi pendingin Peltier?

Insinyur sering menggunakan koefisien kinerja, atau COP.

Untuk pendinginan:

COP = panas yang dikeluarkan dari sisi dingin ÷ daya input listrik

Panas yang dikeluarkan disebut Qc. Input listrik disebut Pin.

Jika sebuah modul mengeluarkan 4 watt panas sementara menggunakan 8 watt listrik:

COP = 4 ÷ 8 = 0,5

Itu tidak berarti pelatnya “50% dingin.”

Itu berarti sistem memindahkan 0,5 watt panas untuk setiap watt input listrik dalam kondisi pengujian tersebut.

Ferrotec mendefinisikan COP pendinginan termoelektrik sebagai Qc ÷ Pin dalam model modulnya.[1]

Jika Anda perlu penjelasan dasar pemompaan panas terlebih dahulu, baca cara kerja pendingin Peltier.

Efisiensi modul bukan efisiensi sistem

Modul Peltier hanyalah satu bagian dari pendingin yang dapat dikenakan.

Sistem lengkapnya juga dapat menggunakan:

• kipas sisi panas;

• kipas kenyamanan penggerak udara;

• konverter tegangan;

• sensor;

• elektronik kontrol; dan

• rangkaian proteksi baterai.

COP modul hanya membandingkan panas yang dipompa oleh elemen Peltier dengan masukan listriknya sendiri.

COP sistem harus mencakup daya yang digunakan oleh perangkat pendukung.

Kenyamanan kulit adalah hal yang berbeda lagi.

Pelat logam yang dingin dapat terasa efektif di area kecil. Perasaan itu tidak membuktikan COP tinggi. Itu juga tidak berarti perangkat mendinginkan seluruh tubuh atau ruangan.

Pisahkan ketiga ukuran ini:

Ukuran	Apa yang dijawabnya
COP Modul	Seberapa efisien TEC memompa panas pada satu titik operasi
Efisiensi Sistem	Berapa banyak pendinginan yang dihasilkan produk lengkap untuk total daya
Kenyamanan Pengguna	Bagaimana area kontak, aliran udara, kesesuaian, dan kontrol terasa saat digunakan

Sisi panas harus membuang lebih banyak panas daripada yang diserap sisi dingin

Pendingin Peltier tidak menghancurkan panas.

Ia memindahkan panas dari sisi dingin ke sisi panas.

Sisi panas harus membuang dua masukan:

Panas sisi panas (Qh) = panas sisi dingin (Qc) + daya listrik (Pin)

Gunakan contoh sebelumnya.

Modul menghilangkan 4 watt dari sisi dingin. Ia mengonsumsi 8 watt listrik.

Sisi panas harus melepaskan:

4 W + 8 W = 12 W

Inilah mengapa heat sink sangat penting.

Ferrotec menyatakan bahwa heat sink harus menghilangkan panas yang dipompa dan panas Joule yang dihasilkan oleh input listrik.[2]

Jika panas di sisi panas tidak dapat keluar, suhu sisi panas naik. Sisi dingin kemudian harus bekerja melintasi perbedaan suhu yang lebih sulit.

Kinerja pendinginan menurun.

Mengapa perbedaan suhu yang lebih besar menurunkan COP

Perbedaan suhu ditulis sebagai ΔT.

Untuk pendingin:

ΔT = suhu sisi panas − suhu sisi dingin

ΔT yang lebih besar terdengar mengesankan. Itu juga lebih sulit untuk dipertahankan.

Tiga efek bekerja di dalam elemen Peltier:

1. Efek Peltier memompa panas menuju sisi panas.

2. Resistansi listrik menciptakan panas Joule.

3. Panas menghantarkan kembali dari sisi panas menuju sisi dingin.

Seiring bertambahnya ΔT, aliran balik termal bertambah. Modul memiliki kapasitas bersih yang lebih sedikit untuk beban pendinginan nyata.

Panduan desain Ferrotec mencatat bahwa kapasitas pemompaan panas tertinggi ketika ΔT mendekati nol dan turun seiring dengan meningkatnya perbedaan suhu yang diinginkan.[3]

Itu menciptakan peringatan penting tentang spesifikasi.

ΔT maksimum biasanya merupakan batas tanpa beban.

Itu diukur ketika hampir tidak ada panas berguna yang masuk ke sisi dingin. Ferrotec mendefinisikan ΔTmax pada beban panas sisi dingin yang efektif nol.[4]

Kulit manusia bukan kondisi tanpa beban.

Kulit terus memasok panas ke pelat. Udara hangat, kontak yang buruk, dan panas yang bocor melalui casing menambah beban lebih banyak.

Jadi angka modul tanpa beban bukanlah janji suhu yang realistis di leher.

Mengapa menambah arus akhirnya berhenti membantu

Pendinginan Peltier tidak naik dalam garis lurus dengan arus.

Istilah pemompaan Peltier yang berguna tumbuh kira-kira dengan arus.

Pemanasan resistif tumbuh dengan arus kuadrat.

Gandakan arus, dan istilah pemanasan resistif dapat naik sekitar empat kali jika resistansi tetap serupa.

Pada arus rendah, menambah daya dapat meningkatkan pendinginan yang berguna.

Pada arus yang lebih tinggi, pemanasan Joule menyusul. Sisi panas menjadi lebih sulit untuk didinginkan. COP turun, dan permintaan baterai naik dengan cepat.

Eksperimen terkontrol pada TEC satu tahap menemukan bahwa COP menurun seiring meningkatnya arus, bahkan ketika arus yang lebih besar dapat meningkatkan perbedaan suhu dalam beberapa kondisi.[5]

Inilah mengapa satu elemen Peltier memiliki titik operasi yang berbeda:

• efisiensi maksimum;

• kapasitas pendinginan maksimum; dan

• perbedaan suhu maksimum.

Ketiganya bukan titik yang sama.

Untuk produk yang dikenakan, mode maksimum mungkin memberikan sensasi awal yang kuat. Mode moderat dapat memberikan kenyamanan berkelanjutan yang lebih baik per watt.

Resistansi termal menentukan seberapa panas sisi panas menjadi

Kinerja heatsink sering dinyatakan sebagai resistansi termal.

Satuan umumnya adalah derajat Celsius per watt, ditulis °C/W.

Gunakan hubungan sederhana ini:

Kenaikan sisi panas di atas suhu sekitar = resistansi termal heatsink × panas sisi panas

Asumsikan sisi panas harus membuang 12 watt.

Dengan jalur termal 2°C/W, perkiraan kenaikannya adalah:

12 W × 2°C/W = 24°C

Dengan jalur 0,8°C/W:

12 W × 0,8°C/W = 9,6°C

Ini adalah contoh hipotetis. Produk nyata juga memiliki resistansi kontak, perubahan aliran udara, dan resirkulasi udara buang yang hangat.

Pelajaran yang didapat sederhana.

Resistansi termal yang lebih rendah menjaga sisi panas lebih dekat dengan suhu sekitar. Ini memberi sisi dingin lebih banyak ruang untuk bekerja.

Panduan heatsink Ferrotec menggunakan definisi kenaikan suhu dibagi aliran panas yang sama.[2]

Mengapa heatsink untuk perangkat yang dikenakan sulit

Heatsink laboratorium bisa berukuran besar dan berat.

Produk yang dikenakan di leher tidak bisa.

Desainer harus menyeimbangkan:

Pilihan desain	Potensi keuntungan	Biaya yang mungkin
Heatsink yang lebih besar	Menurunkan suhu sisi panas	Ukuran dan berat lebih besar
Kipas pembuangan lebih cepat	Pembuangan panas lebih baik	Lebih bising dan konsumsi baterai lebih besar
Baterai lebih besar	Waktu pemakaian lebih lama	Berat lebih banyak
Pelat pendingin lebih besar	Area kontak lebih luas	Beban panas lebih besar dan batasan pemasangan
Arus lebih tinggi	Pendinginan awal lebih kuat	COP lebih rendah, lebih banyak panas, dan waktu pemakaian lebih pendek
Kontrol daya rendah	Efisiensi lebih baik	Sensasi dingin kurang agresif

Penelitian TEC yang dapat dipakai terus fokus pada heat sink, penyebaran panas, dan antarmuka kulit karena pembuangan panas sisi panas membatasi pendinginan berkelanjutan.[6][7]

Ini adalah kompromi utama pada perangkat yang dapat dipakai:

Pendinginan, waktu pemakaian, berat, dan kebisingan tidak bisa semuanya dimaksimalkan sekaligus.

Apa yang diubah aliran udara sisi panas dalam penggunaan nyata

Heat sink membutuhkan udara masuk yang sejuk dan jalur pembuangan yang jelas.

Rambut panjang, kerah tinggi, atau tali ransel dapat menghalangi jalur tersebut.

Udara buang yang hangat juga dapat kembali masuk ke saluran masuk. Para insinyur menyebut ini resirkulasi.

Produk mungkin tetap menyala. Pelat mungkin tetap terasa dingin untuk waktu singkat.

Tetapi sisi panas memanas lebih cepat. Pendinginan berkelanjutan melemah.

Saat membandingkan produk, lihatlah lebih dari sekadar jumlah ventilasi.

Tanyakan:

• Di mana udara masuk?

• Di mana udara panas keluar?

• Bisakah pakaian menutupi salah satu jalur tersebut?

• Apakah udara buangan mengalir kembali ke kulit?

• Apakah perangkat mengurangi daya saat sisi panas menjadi terlalu panas?

Bagaimana daya tahan baterai berubah seiring efisiensi Peltier

COP yang lebih rendah berarti lebih banyak energi listrik yang dibutuhkan untuk pembuangan panas yang sama bermanfaatnya.

Energi tersebut berasal dari baterai.

Jika mode yang lebih kuat menggandakan daya sistem, waktu pakai mungkin mendekati setengah dalam kondisi serupa lainnya. Kontroler nyata, kerugian konversi, dan perlindungan baterai membuat hubungan yang tepat menjadi kurang rapi.

Jangan bandingkan hanya kapasitas baterai.

Bandingkan watt-jam, daya khusus mode, dan waktu pakai terukur. Panduan daya tahan baterai kipas leher kami menyertakan estimator waktu pakai sederhana.

Periksa juga apakah waktu pakai yang dipublikasikan menggunakan:

• mode hanya kipas;

• pendinginan aktif;

• pengaturan terendah; atau

• mode otomatis campuran.

Satu angka “hingga” dapat menyembunyikan perbedaan besar.

Cara membaca klaim pendinginan Peltier

Klaim suhu memerlukan kondisi pengujian.

Sebelum mempercayai angka, ajukan enam pertanyaan.

1. Suhu apa yang diukur?

Apakah itu pelat pendingin telanjang, permukaan kulit, udara buangan, atau udara sekitar?

Ini tidak dapat dipertukarkan.

2. Apa suhu referensi?

“Lebih dingin 20 derajat” bisa berarti di bawah suhu lingkungan, di bawah sisi panas, atau di bawah suhu awal pelat.

Referensi harus disebutkan.

3. Apakah ada beban panas nyata?

Pelat tanpa beban dapat mencapai suhu lebih rendah daripada pelat yang menyentuh kulit hangat.

Cari data dengan beban atau di tubuh.

4. Berapa lama pengujian berlangsung?

Minimum startup mungkin hanya bertahan sebentar.

Suhu yang bertahan setelah stabilisasi termal lebih berguna.

5. Bagaimana kondisi lingkungan sekitar?

Catat suhu udara, kelembapan, dan aliran udara.

Kinerja sisi panas berubah dengan lingkungan.

6. Daya dan mode apa yang digunakan?

Hasil suhu tanpa watt, mode, dan dampak baterai tidak lengkap.

Untuk perbandingan yang lebih luas tentang aliran udara, pendinginan kontak, dan penguapan, lihat kipas yang meniup udara dingin seperti AC.

Tes efisiensi Peltier yang praktis

Anda tidak memerlukan laboratorium lengkap untuk membuat bukti yang lebih berguna.

Anda memerlukan metode yang terkontrol.

Ukur nilai-nilai berikut

• suhu lingkungan dan kelembapan;

• suhu sisi panas;

• suhu pelat;

• tegangan dan arus listrik;

• daya total sistem;

• waktu pakai baterai;

• mode kipas; dan

• beban panas sisi dingin yang diterapkan.

Lakukan tiga perbandingan

Pertama, uji satu tingkat arus dengan aliran udara sisi panas yang kuat dan aliran udara yang terbatas.

Kedua, uji daya rendah, sedang, dan tinggi dengan kondisi heat sink yang sama.

Ketiga, ulangi dengan lebih dari satu beban sisi dingin.

Tunggu suhu stabil. Ulangi setiap kondisi.

Buat grafik:

• kapasitas pendinginan versus arus;

• COP versus arus;

• suhu sisi dingin versus waktu; dan

• suhu sisi panas versus waktu.

Jangan menggabungkan daya modul dan daya sistem lengkap tanpa memberi label.

Pertanyaan yang sering diajukan

Apakah pendingin Peltier hemat energi?

Mereka bisa berguna untuk pendinginan yang ringkas, lokal, dan terkontrol secara presisi, tetapi COP sangat bergantung pada arus, perbedaan suhu, beban panas, dan kinerja heat sink.

Mengapa menambah daya berhenti membantu?

Pemompaan Peltier yang berguna naik seiring arus, sementara panas resistif naik kira-kira seiring kuadrat arus dan meningkatkan beban sisi panas.

Berapa penurunan suhu Peltier yang realistis?

Tidak ada angka universal. Gunakan data kondisi tunak dengan beban dari produk lengkap pada kondisi lingkungan yang dinyatakan.

Mengapa pelat pendingin menjadi lebih hangat setelah dinyalakan?

Sisi panas mungkin memanas, beban mungkin meningkat, atau pengontrol mungkin mengurangi daya. Adaptasi kulit juga dapat membuat pelat terasa kurang dingin.

Apakah elemen Peltier yang lebih besar selalu mendinginkan lebih baik?

Tidak. Itu juga membutuhkan daya yang memadai, kontak pelat, dan pembuangan panas sisi panas.

Apakah pendingin Peltier lebih efisien daripada kompresor?

Itu tergantung pada skala dan penggunaan. Sistem Peltier mendukung kontrol lokal solid-state yang ringkas; kompresor biasanya melayani beban pendinginan yang lebih besar secara lebih efisien. Panduan termoelektrik versus kompresor kami yang akan datang akan menjelaskan perbedaannya.

Intinya

Efisiensi Peltier adalah masalah sistem.

Jangan menilai hanya dari suhu pelat.

Periksa COP, daya, suhu sisi panas, beban uji, dan kinerja kondisi tunak bersama-sama.

Perangkat yang dapat dikenakan yang dirancang dengan baik tidak mengejar suhu pelat serendah mungkin dengan cara apa pun. Itu menyeimbangkan kenyamanan berkelanjutan, pembuangan panas, kebisingan, berat, dan masa pakai baterai.

Langkah berikutnya: Bandingkan titik operasi Peltier dengan data waktu pakai mode spesifik dan suhu sisi panas perangkat.

Sumber

1. Ferrotec — Pemodelan Matematis Modul Termoelektrik

2. Ferrotec — Pertimbangan Heat Sink

3. Ferrotec — Desain Sistem Termal

4. Ferrotec — Glosarium Istilah Termal

5. International Journal of Heat and Mass Transfer — Investigasi Eksperimental Pendingin Termoelektrik Satu Tahap

6. Chemical Engineering Journal — Heat Sink Fleksibel untuk Pendinginan Termoelektrik yang Dapat Dikenakan

7. Science — Termoelektrik yang Dapat Dikenakan untuk Termoregulasi yang Dipersonalisasi