La risposta breve: Un raffreddatore Peltier è più efficiente con una differenza di temperatura moderata, perché una corrente extra genera anche calore.
Una piastra più fredda sembra migliore.
Ma non è tutta la storia.
Più potenza può inizialmente fornire un raffreddamento più forte. Ma genera anche più calore. La batteria si scarica più velocemente e il lato caldo deve lavorare di più.
Un buon design bilancia quattro elementi:
-
potenza di raffreddamento;
-
differenza di temperatura;
-
smaltimento del calore; e
-
potenza elettrica.
Questa guida trasforma questi termini tecnici in domande utili per l'acquisto.
Cosa significa efficienza del raffreddatore Peltier?
Gli ingegneri usano spesso il coefficiente di prestazione, o COP.
Per il raffreddamento:
COP = calore rimosso dal lato freddo ÷ potenza elettrica in ingresso
Il calore rimosso è chiamato Qc. La potenza elettrica in ingresso è chiamata Pin.
Se un modulo rimuove 4 watt di calore utilizzando 8 watt di elettricità:
COP = 4 ÷ 8 = 0,5
Ciò non significa che la piastra sia "fredda al 50%".
Significa che il sistema sposta 0,5 watt di calore per ogni watt di potenza elettrica in ingresso in quella condizione di prova.
Ferrotec definisce il COP del raffreddamento termoelettrico come Qc ÷ Pin nel suo modello di modulo.[1]
Se hai bisogno prima della spiegazione di base del pompaggio del calore, leggi come funziona un raffreddatore Peltier.
L'efficienza del modulo non è l'efficienza del sistema
Un modulo Peltier è solo una parte di un dispositivo di raffreddamento indossabile.
Il sistema completo può includere anche:
-
ventole sul lato caldo;
-
ventole di comfort per la circolazione dell'aria;
-
convertitori di tensione;
-
sensori;
-
elettronica di controllo; e
-
circuiti di protezione della batteria.
Il COP del modulo confronta solo il calore pompato dall'elemento Peltier con il suo stesso consumo elettrico.
Il COP del sistema dovrebbe includere l'energia utilizzata dai componenti di supporto.
Il comfort della pelle è ancora un'altra cosa.
Una piastra metallica fredda può sembrare efficace su una piccola area. Quella sensazione non prova un COP elevato. Inoltre non significa che il dispositivo raffreddi l'intero corpo o la stanza.
Tieni separate queste tre misure:
| Misura | A cosa risponde |
|---|---|
| COP del modulo | Con quale efficienza il TEC pompa calore in un punto di funzionamento |
| Efficienza del sistema | Quanto raffreddamento fornisce il prodotto completo per la potenza totale |
| Comfort dell'utente | Come si sentono in uso l'area di contatto, il flusso d'aria, la vestibilità e i controlli |
Il lato caldo deve dissipare più calore di quanto il lato freddo assorbe
Un raffreddatore Peltier non distrugge il calore.
Sposta il calore dal lato freddo al lato caldo.
Il lato caldo deve dissipare due input:
Calore lato caldo (Qh) = calore lato freddo (Qc) + potenza elettrica (Pin)
Usa l'esempio precedente.
Il modulo rimuove 4 watt dal lato freddo. Consuma 8 watt di elettricità.
Il lato caldo deve rilasciare:
4 W + 8 W = 12 W
Ecco perché il dissipatore di calore è così importante.
Ferrotec afferma che il dissipatore di calore deve dissipare sia il calore pompato che il calore Joule creato dall'ingresso elettrico.[2]
Se il calore sul lato caldo non può fuoriuscire, la temperatura del lato caldo aumenta. Il lato freddo deve quindi lavorare attraverso un divario di temperatura più difficile.
Le prestazioni di raffreddamento diminuiscono.
Perché una differenza di temperatura maggiore riduce il COP
La differenza di temperatura è scritta come ΔT.
Per un raffreddatore:
ΔT = temperatura lato caldo − temperatura lato freddo
Una ΔT maggiore sembra impressionante. È anche più difficile da mantenere.
Tre effetti agiscono all'interno di un elemento Peltier:
-
L'effetto Peltier pompa calore verso il lato caldo.
-
La resistenza elettrica crea calore Joule.
-
Il calore si conduce indietro dal lato caldo verso il lato freddo.
Con l'aumentare della ΔT, il flusso termico inverso aumenta. Il modulo ha meno capacità netta rimasta per il carico di raffreddamento reale.
La guida di progettazione di Ferrotec nota che la capacità di pompaggio del calore è massima quando ΔT è vicina a zero e diminuisce con l'aumentare della differenza di temperatura desiderata.[3]
Ciò crea un importante avvertimento sulle specifiche.
La ΔT massima è normalmente un limite senza carico.
Viene misurata quando quasi nessun calore utile entra nel lato freddo. Ferrotec definisce ΔTmax in condizioni di carico termico effettivamente nullo sul lato freddo.[4]
La pelle umana non è una condizione di carico zero.
La pelle fornisce continuamente calore alla piastra. Aria calda, scarso contatto e calore che fuoriesce attraverso l'alloggiamento aggiungono ulteriore carico.
Quindi un numero di modulo senza carico non è una promessa realistica di temperatura sul collo.
Perché aumentare la corrente alla fine smette di aiutare
Il raffreddamento Peltier non aumenta in modo lineare con la corrente.
Il termine utile di pompaggio Peltier cresce approssimativamente con la corrente.
Il riscaldamento resistivo cresce con la corrente al quadrato.
Raddoppia la corrente e il termine di riscaldamento resistivo può aumentare di circa quattro volte se la resistenza rimane simile.
A bassa corrente, aggiungere potenza può aumentare il raffreddamento utile.
A corrente più alta, il riscaldamento Joule raggiunge l'effetto. Il lato caldo diventa più difficile da raffreddare. Il COP diminuisce e la richiesta della batteria aumenta rapidamente.
Esperimenti controllati su TEC a singolo stadio hanno rilevato che il COP diminuisce all'aumentare della corrente, anche quando una corrente maggiore può aumentare la differenza di temperatura in alcune condizioni.[5]
Ecco perché un elemento Peltier ha diversi punti di funzionamento:
-
massima efficienza;
-
massima capacità di raffreddamento; e
-
massima differenza di temperatura.
Non sono lo stesso punto.
Per un prodotto indossabile, la modalità massima può fornire una forte prima sensazione. Una modalità moderata può fornire un comfort sostenuto migliore per watt.
La resistenza termica determina quanto diventa caldo il lato caldo
Le prestazioni del dissipatore di calore sono spesso espresse come resistenza termica.
L'unità comune è gradi Celsius per watt, scritta °C/W.
Usa questa relazione semplificata:
Aumento del lato caldo sopra la temperatura ambiente = resistenza termica del dissipatore × calore del lato caldo
Supponiamo che il lato caldo debba dissipare 12 watt.
Con un percorso termico di 2°C/W, l'aumento stimato è:
12 W × 2°C/W = 24°C
Con un percorso di 0,8°C/W:
12 W × 0,8°C/W = 9,6°C
Questi sono esempi ipotetici. I prodotti reali hanno anche resistenza di contatto, flusso d'aria variabile e ricircolo dell'aria calda di scarico.
La lezione è semplice.
Una minore resistenza termica mantiene il lato caldo più vicino alla temperatura ambiente. Questo dà al lato freddo più spazio per lavorare.
La guida del dissipatore di calore Ferrotec usa la stessa definizione di aumento di temperatura diviso per flusso di calore.[2]
Perché i dissipatori di calore indossabili sono difficili
Un dissipatore di calore da laboratorio può essere grande e pesante.
Un prodotto da collo non può esserlo.
I progettisti devono bilanciare:
| Scelta di design | Vantaggio potenziale | Costo probabile |
|---|---|---|
| Dissipatore di calore più grande | Temperatura inferiore del lato caldo | Più dimensioni e peso |
| Ventola di scarico più veloce | Migliore dissipazione del calore | Più rumore e consumo della batteria |
| Batteria più grande | Durata più lunga | Più peso |
| Piastra di raffreddamento più grande | Maggiore area di contatto | Più carico termico e vincoli di adattamento |
| Corrente più elevata | Raffreddamento iniziale più forte | COP inferiore, più calore e durata più breve |
| Controllo a bassa potenza | Migliore efficienza | Sensazione di freddo meno aggressiva |
La ricerca sui dispositivi raffreddati a effetto Peltier indossabili continua a concentrarsi su dissipatori di calore, diffusione termica e interfacce cutanee, poiché la dissipazione del calore dal lato caldo limita il raffreddamento sostenuto.[6][7]
Questo è il compromesso centrale per i dispositivi indossabili:
Raffreddamento, durata, peso e rumore non possono essere tutti massimizzati contemporaneamente.
Cosa cambia il flusso d'aria del lato caldo nell'uso reale
Il dissipatore di calore ha bisogno di aria fresca in ingresso e di un percorso di scarico libero.
Capelli lunghi, un colletto alto o una tracolla di zaino possono bloccare quel percorso.
L'aria calda di scarico può anche essere risucchiata nell'ingresso. Gli ingegneri chiamano questo fenomeno ricircolo.
Il prodotto potrebbe comunque accendersi. La piastra potrebbe sembrare fresca per un breve periodo.
Ma il lato caldo si riscalda più velocemente. Il raffreddamento sostenuto si indebolisce.
Quando confrontate i prodotti, guardate oltre il numero di prese d'aria.
Chiedete:
-
Da dove entra l'aria?
-
Da dove esce l'aria calda?
-
L'abbigliamento può coprire entrambi i percorsi?
-
L'aria di scarico soffia sulla pelle?
-
Il dispositivo riduce la potenza quando il lato caldo si surriscalda?
Come cambia la durata della batteria con l'efficienza del Peltier
Un COP inferiore significa che è necessaria più energia elettrica per la stessa rimozione utile del calore.
Questa energia proviene dalla batteria.
Se una modalità più forte raddoppia la potenza del sistema, la durata può avvicinarsi alla metà in condizioni altrimenti simili. I controller reali, le perdite di conversione e la protezione della batteria rendono la relazione esatta meno semplice.
Non confrontare solo la capacità della batteria.
Confronta wattora, potenza specifica della modalità e durata misurata. La nostra guida alla durata della batteria per ventilatori da collo include un semplice stimatore della durata.
Controlla anche se la durata pubblicata utilizza:
-
solo modalità ventola;
-
raffreddamento attivo;
-
l'impostazione più bassa; o
-
una modalità automatica mista.
Un singolo numero "fino a" può nascondere una grande differenza.
Come interpretare un'affermazione di raffreddamento Peltier
Le affermazioni sulla temperatura richiedono una condizione di test.
Prima di fidarti di un numero, fai sei domande.
1. Quale temperatura è stata misurata?
Era la piastra di raffreddamento nuda, la superficie della pelle, lo scarico o l'aria circostante?
Questi non sono intercambiabili.
2. Qual era la temperatura di riferimento?
"20 gradi più freddo" potrebbe significare sotto l'aria ambiente, sotto il lato caldo o sotto la temperatura iniziale della piastra.
Il riferimento deve essere nominato.
3. C'era un carico termico reale?
Una piastra senza carico può raggiungere una temperatura inferiore rispetto a una piastra che tocca la pelle calda.
Cerca dati con carico o sul corpo.
4. Per quanto tempo è durato il test?
Un minimo di avvio può durare solo brevemente.
La temperatura sostenuta dopo la stabilizzazione termica è più utile.
5. Qual era la condizione ambientale?
Registra temperatura dell'aria, umidità e flusso d'aria.
Le prestazioni del lato caldo cambiano con l'ambiente.
6. Quali potenza e modalità sono state utilizzate?
Un risultato di temperatura senza watt, modalità e impatto della batteria è incompleto.
Per un confronto più ampio di flusso d'aria, raffreddamento a contatto ed evaporazione, vedere ventilatori che soffiano aria fredda come l'aria condizionata.
Un test pratico di efficienza Peltier
Non hai bisogno di un laboratorio completo per creare prove più utili.
Hai bisogno di un metodo controllato.
Misura questi valori
-
temperatura ambiente e umidità;
-
temperatura del lato caldo;
-
temperatura della piastra;
-
tensione e corrente elettrica;
-
potenza totale del sistema;
-
durata della batteria;
-
modalità del ventilatore; e
-
carico termico applicato al lato freddo.
Esegui tre confronti
Prima, testa un livello di corrente con forte flusso d'aria sul lato caldo e flusso d'aria ristretto.
Secondo, testa bassa, media e alta potenza con la stessa condizione del dissipatore.
Terzo, ripeti con più di un carico sul lato freddo.
Attendi che le temperature si stabilizzino. Ripeti ogni condizione.
Traccia:
-
capacità di raffreddamento rispetto alla corrente;
-
COP rispetto alla corrente;
-
temperatura del lato freddo rispetto al tempo; e
-
temperatura del lato caldo in funzione del tempo.
Non combinare la potenza del modulo e la potenza dell'intero sistema senza etichettarle.
Domande frequenti
I raffreddatori Peltier sono efficienti dal punto di vista energetico?
Possono essere utili per un raffreddamento compatto, locale e controllato con precisione, ma il COP dipende fortemente da corrente, differenza di temperatura, carico termico e prestazioni del dissipatore.
Perché aggiungere potenza smette di aiutare?
Il pompaggio utile del Peltier aumenta con la corrente, mentre il riscaldamento resistivo aumenta approssimativamente con il quadrato della corrente e aumenta il carico sul lato caldo.
Qual è una caduta di temperatura realistica del Peltier?
Non esiste un numero universale. Utilizzare dati a regime con carico dell'intero prodotto in condizioni ambientali dichiarate.
Perché la piastra fredda diventa più calda dopo l'avvio?
Il lato caldo potrebbe riscaldarsi, il carico potrebbe aumentare o il controller potrebbe ridurre la potenza. Anche l'adattamento della pelle può far sembrare la piastra meno fredda.
Un elemento Peltier più grande raffredda sempre meglio?
No. Richiede anche potenza adeguata, contatto con la piastra e smaltimento del calore sul lato caldo.
Un raffreddatore Peltier è più efficiente di un compressore?
Dipende dalla scala e dall'uso. I sistemi Peltier favoriscono il controllo locale compatto a stato solido; i compressori servono generalmente carichi di raffreddamento più grandi in modo più efficiente. La nostra prossima guida termoelettrico-vs-compressore spiegherà la differenza.
Il punto fondamentale
L'efficienza del Peltier è un problema di sistema.
Non giudicarla solo dalla temperatura della piastra.
Controlla insieme COP, potenza, temperatura del lato caldo, carico di prova e prestazioni a regime.
Un dispositivo indossabile ben progettato non insegue la temperatura più bassa possibile della piastra a qualsiasi costo. Bilanci il comfort sostenuto, lo smaltimento del calore, il rumore, il peso e la durata della batteria.
Prossimo passo: Confronta il punto di funzionamento del Peltier con la durata specifica della modalità e i dati di temperatura del lato caldo del dispositivo.
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