Qc, Qh, Pin i ΔT — cztery wielkości, których nie wolno mieszać

Ustal orientację bilansu

W trybie chłodzenia Qc oznacza strumień ciepła przyjmowany przez zimną powierzchnię modułu. Pin jest mocą elektryczną doprowadzoną do modułu i w prostym pomiarze wynosi iloczyn jednocześnie zmierzonych napięcia oraz prądu. Gorąca strona oddaje Qh. Dla stanu ustalonego bilans przyjmuje postać Qh = Qc + Pin.

To równanie nie mówi jeszcze, jaka będzie temperatura. Pokazuje natomiast, dlaczego radiator dobrany wyłącznie do ciepła obiektu jest założeniem niepełnym. Musi przenieść również energię dostarczoną elektrycznie, a jego wzrost temperatury wpływa zwrotnie na zdolność pompowania.

Tc i Th są temperaturami powierzchni modułu

Tc oznacza temperaturę zimnej strony, a Th — gorącej. ΔT = Th − Tc. W karcie lub modelu są to warunki na powierzchniach modułu, nie domyślnie temperatura powietrza w komorze i otoczenia. Opór cieplny płyty, pasty, radiatora oraz kontaktu powoduje dalsze różnice.

Dlatego zapis punktu powinien wyglądać jak zestaw: wymagane Qc, Tc, Th, ΔT, prąd, napięcie i sposób wymiany ciepła. Jeżeli znasz tylko temperaturę obiektu i powietrza, najpierw oszacuj spadki na torze. Możesz potrzebować iteracji, bo Th zależy od Qh, a Pin i Qc zależą od Th.

Qmax nie jest wydajnością przy najniższej temperaturze

Dwa maksima leżą na różnych krańcach charakterystyki

Producenci wyznaczają Qmax przy ΔT równym zero: obie strony mają tę samą temperaturę, więc moduł może pompować największy strumień według danych warunków. ΔTmax jest wyznaczane przy Qc równym zero lub warunku bardzo zbliżonym: zimna strona nie odbiera użytecznego obciążenia. W rzeczywistym chłodzeniu jednocześnie występują dodatnie Qc i ΔT, więc punkt leży między krańcami.

Nie mnoż Qmax przez ΔTmax i nie przyjmuj obu jako specyfikacji jednego testu. Nie porównuj też modułów na podstawie Qmax, jeśli karty odnoszą tę wartość do różnych Th albo warunków zasilania. Potrzebne są pełne krzywe konkretnego modelu.

Imax i Vmax nie są zalecaną nastawą

Prąd zmienia efekt Peltiera, ale także ciepło Joule’a. Wzrost prądu może początkowo zwiększyć Qc w danym punkcie, a jednocześnie zwiększa Pin oraz obciążenie gorącego wymiennika. Po przekroczeniu korzystnego obszaru dodatkowy pobór nie daje proporcjonalnej poprawy, może zaś podnieść Th i pogorszyć wynik systemu.

Napięcie zależy między innymi od prądu, temperatur oraz właściwości modułu. Wartości graniczne z tabeli należy traktować zgodnie z definicją producenta. Punkt zasilania wybiera się z krzywych Qc–ΔT–I i V–I dla właściwego Th, a następnie sprawdza w prototypie.

COP odpowiada na inne pytanie niż Qc

Współczynnik COP w chłodzeniu to Qc/Pin. Mówi, ile ciepła jest pompowane w odniesieniu do mocy elektrycznej w danym punkcie, ale nie jest stałą modułu. Zmienia się wraz z ΔT, Th i prądem. Układ o większym Qc może mieć niższy COP, a wybór zależy od celu: czasu schładzania, energii, gabarytu czy stabilności.

Nie nazywaj COP „sprawnością procentową” w znaczeniu typowym dla przetwornika energii. Pompa ciepła przenosi ciepło, dlatego stosunek może mieć interpretację inną niż procent energii zamienionej na użyteczny produkt. Raportuj definicję i warunki.

Czytaj wykres w ustalonej kolejności

Najpierw wybierz zestaw krzywych dla przewidywanego Th. Następnie znajdź wymagane ΔT oraz Qc i odczytaj prąd. Z kolejnego wykresu wyznacz napięcie dla tego samego prądu, ΔT i Th. Oblicz Pin oraz Qh, po czym wróć do modelu radiatora. Jeżeli otrzymane Th różni się od założonego, powtórz obliczenia.

Nie interpoluj poza zakresem bez potwierdzonego modelu. Jeśli karta pokazuje wyłącznie maksima, a nie pozwala ustalić punktu, brakuje danych do odpowiedzialnego doboru. Poproś producenta o charakterystyki lub wybierz część z udokumentowanym zachowaniem.

Obciążenie chłodnicze trzeba znać niezależnie

Moduł nie „ma Qc” bez punktu pracy. Qc pochodzi z bilansu obiektu albo z kontrolowanego testu, na przykład z grzałką o znanej mocy po uwzględnieniu strat. Moc samej elektroniki jest tylko jednym składnikiem. Mostki termiczne, konwekcja, promieniowanie, wilgoć i schładzanie masy mogą dominować w innych fazach.

Jeżeli osiągnięta temperatura jest za wysoka, nie wynika z tego automatycznie zbyt mały moduł. Przyczyną może być gorący radiator, gruby interfejs, zły docisk, błąd czujnika, nieoszacowane Qc lub sterowanie. Oddziel te hipotezy pomiarem Tc, Th, U i I.

Karta punktu pracy zamyka nieporozumienia

W jednym wierszu zapisz numer i wersję karty, temperaturę otoczenia, Tc, Th, Qc, ΔT, I, V, Pin, Qh i COP oraz źródło każdej wartości. Oznacz dane obliczone i zmierzone. Dopisz temperaturę obiektu osobno, aby nie została podmieniona na Tc.

Taki zapis umożliwia porównanie modułów oraz zmian radiatora bez mieszania warunków. Jeżeli nie da się wypełnić podstawowych pól, projekt nie jest jeszcze na etapie wyboru części.

Policz obciążenie i wybierz punkt pracy

Źródła:

• Ferrotec, modelowanie modułu: Qc, Pin, Qh, COP, Qmax i ΔTmax.
• Ferrotec, wybór punktu z wykresów konkretnego modułu.
• Laird Thermal Systems, Thermoelectric Handbook — bilans układu i interpretacja parametrów.