‡† ™ - Harran hbulut/ ‡† ™ ‡ † ™‌ ™† ™ ‡ † › † œ ! ™ # $% ’( †)#* +’

  • View
    220

  • Download
    3

Embed Size (px)

Text of ‡† ™ - Harran hbulut/ ‡† ™ ‡ † ™‌...

  • Soutma Dnyas, Say 31, Sayfa 9-16 (2005).

    TERMOELEKTRK SOUTMA SSTEMLER

    Do. Dr. Hsamettin BULUT

    Harran niversitesi, Mhendislik Fakltesi, Makina Mhendislii Blm, Osmanbey

    kampus, 63000-anlurfa.

    E-mail: hbulut@harran.edu.tr

    Tel:0.414.344 00 20

    Faks: 0.414.344 00 31

    zet

    Termoelektrik soutma sistemleri, scaklk dengelemesi veya ortam scaklnn

    altnda bir soutmann gerektii uygulamalarda kullanlan hareket eden eleman olmayan s

    pompas zellii olan cihazlardr. Modern ve yksek teknolojilerin gelimesi ile termoelektrik

    soutucular, lazer diyotlar, mikro ilemciler, kan analiz cihazlar ve tanabilir piknik tipi

    soutuculara kadar bir ok rnde karmza kmaktadr. Bu makalede, termoelektrik

    soutmann teorisi, uygulama alanlar, tasarm ve seiminde etkili olan elektriksel ve sl

    parametreler hakknda bilgiler verilmitir.

    Anahtar Kelimeler: Termoelektrik, Peltier Etkisi, Soutma.

    1. Giri

    Gnmzde, salam, gvenilir, kompakt, ufak boyutlu, hafif, uzun mrl, dk

    maliyette, dk enerji tke timine sahip ve bakm gerektirmeyen soutuculara artan bir

    ihtiya vardr. Yaygn olarak kullanlan mevcut kompresrl soutma sistemleri mekanik

    olarak hareket eden paralar olduundan ve boyut olarak byk olduklarndan arzulanan

    ideal zelliklere sahip deillerdir. Teknolojinin hzl bir ekilde artt bir zamanda, soutma

    ihtiyacnn sadece konfor ve gdalarn muhafazas amal snrl kalmayaca aktr. zellikle

    yeni ve daha sk imal edilmi elektronik cihazlarn kendi iinde rettii ve dna yayd

    snn bertaraf edilmesinin ve sl konfor snrlarn aan zel artlarn istendii soutma

    gereksinimleri, buhar sktrmal konvansiyonel soutma sistemlerinin dnda alternatif

  • soutma cihazlarna ynelmeyi ortaya koymutur. Termoelektrik soutucular, askeri,

    elektronik gibi alanlardan bireysel zel soutma ihtiyacna kadar bir ok uygulamada

    kullanlan s pompas zellii olan cihazlardr [1,2].

    Hzla gelien elektronik ve bilgisayar teknolojisinde, elektronik elemanlarn hassas

    biimde alabilecekleri scaklk aralklar bellidir. Elektronik malzemelerin soutulmas

    gnmzde mhendislerin en nemli problemlerinden biridir. Son yllarda bu konuda giderek

    artan almalar yaplmaktadr [3]. Termoelektrik soutma sistemlerinin tasarm, analizi ve

    uygulamalar ile ilgili konularda son zamanlarda nemli aratrmalar yaplmtr [1,2, 4-14] ve

    aratrmaclarn konuya ilgisi artmaktadr.

    Bu almada, son zamanlarda ticari olarak eitli rnlerde rastlanan termoelektrik

    soutmann teorisi ve uygulama alanlar ile ilgili temel bilgiler sunulmutur.

    2. Termoelektrik Soutmann Teorisi

    Termoelektrik soutma temelde termoelektrik etkilerin en nemlilerden biri olan

    Peltier etkisine dayanr. Peltier etkisi, iki farkl metal elemandan oluan bir devreye doru

    akm verildiinde, akmn ynne gre, aksi ularda scaklkta artmann veya azalmann

    meydana gelmesidir. Bu olayda ilgin olan, devrede ular arasnda bir scaklk fark olumas

    ve dolaysyla ularda bir snma veya soumann meydana gelmesidir. Isl eleman iftlerinin

    (Termokapl) temelini oluturan ve 1821 ylnda kefedilen Seebeck etkisinin tersi olan Peltier

    etkisi, Fransz bilim adam Charles Athanese Peltier 1834 ylnda kefedilmitir. 1950

    yllndan sonra yariletken teknolojisinde gelimelerin hzlanmas ile Peltier etkisi deiik

    uygulamalarda kendine kullanm alanlar bulmutur [2, 4, 16].

    Termoelektrik soutma, N ve P tipi yar iletken metal iftlerinden olumu bir veya

    daha ok modlden, bir doru akmn gemesi ile elde edilir. ekil 1de bir N ve P yar

    iletken iftinden meydana gelmi bir termoelektrik soutma modl gsterilmitir. P ve N tipi

    termoelemanlar elektriksel olarak seri, sl olarak paralel ekilde seramikler arasna

    balanrlar. Akmn ynne bal olarak stma ve soutma elde edilebilir. ekil 1den de

    grlecei gibi soutma durumunda, doru akm N tipi yar iletkenden P tipine gemektedir.

    Akm, dk enerji seviyesindeki P tipi yariletken malzemeden yksek enerji seviyesine

    getiinde soutulacak ortamdan s ekerek soutma meydana getirmektedir. Souk

    ortamdan ekilen bu s, yksek scaklktaki ortama elektronlar vastasyla transfer edilir.

    Bylelikle s, bir ortamdan ekildii gibi baka bir ortama da terk edilmektedir. Dolaysyla

    termoelektrik modl s pompas vazifesi de gsterir.

  • ekil 1. Bir termoelektrik soutucu modl

    3. Termoelektrik Soutucularda Kullanlan Malzemeler

    Bir termoelektrik soutucunun verimlilii bal olarak kullanlan malzeme ile ilgilidir.

    Termoelektrik malzemelerin performans, aadaki eitlikte verilen deer katsays ile ifade

    edilmektedir [1]:

    kRTZT

    2= (1)

    Burada Seebeck katsays, T termoelektrik modln yzeylerinin ortalama scakl,

    k sl iletkenlii, R elektrik direncini gstermektedir. Metallerin s iletimi yksek, fakat

    elektrik direnleri dk olduundan, ZT deerleri de dk olmaktadr. Gnmzde

    termoelektrik modllerde kullanlan yar iletken malzemelerin deer katsays, ZT, yaklak

    0.4 ile 1.3 arasndadr [2].

    Termoelektrik soutucularda P ve N tipi termoelemanlarda kullanlan yar iletken

    malzemeler, Bi2Te3, PbTe, SiGe ve BiSb gibi alamlardr. Bizmut Teleryum, Bi2Te3, yksek

    termoelektrik verimi ve uygun scaklk aral nedeniyle yaygn bir ekilde tercih edilmektedir

    [1]. Alt ve st plakalarda seramik malzeme kullanlr. Bylece sl iletkenlik, elektriksel

    yaltkanlk ve mekanik mukavemet salanr. Termoelemanlar birbirine balayan iletken

    malzeme olarak bakr veya alminyum gibi sl iletkenlii yksek malzemeler

    kullanlmaktadr [4].

    DC Kaynak, We

    N N P P

    Bakr letkenMalzeme

    Scak Seramik Levha, Th

    Souk Seramik Levha, Tc

    Qh

    Is Braklan Ortam

    Is ekilen Ortam

    Qc

    Akm

  • 4. Termoelektrik Soutucularn avantaj ve dezavantajlar

    Termoelektrik soutucularn dier soutma sistemlerine gre stnlkleri yle

    sralanabilir :

    Hareketli herhangi bir paras yoktur. Dolaysyla az bakma ihtiya vardr.

    Uzun mrldrler. mr testlerinde srekli rejimde 100 000 saat alabildikleri

    grlmtr.

    Termoelektrik soutucu, CFCler gibi herhangi bir soutucu akkan iermez.

    Dolaysyla evre ve doa dostudurlar.

    Termoelektrik soutucu, s pompas olarak tam tersinirdir. Isnn yn DC akmn

    yn deitirilerek kolayca deitirilebilir.

    0.1 oC scaklk aralnda ok hassas scaklk kontrol salanabilir.

    Termoelektrik Soutucular, pozisyona baml cihazlar deillerdir. Dikey veya

    yatay her konumda alabilirler. Yerekimsiz ortamlarda da alr.

    ok hassas, sk ve kk ortamlarda alabilirler.

    Termoelektrik soutucular eitli dezavantajlara sahiptirler. Bunlar;

    Soutma ve stma performans katsaylar (COP) ok dktr. 0.3-0.7 arasndadr.

    Oysa klasik soutma makinalarnda bu deer 2-4 arasndadr. Buhar sktrmal,

    absorpsiyonlu ve termoelektrikli farkl mini buzdolab iin yaplan

    karlatrmal almada [5], buhar sktrmal tipte olann maliyet ve iletme

    asndan daha uygun olduu fakat dierlerine gre daha grltl olduu tespit

    edilmitir. Termoelektrikli mini buzdolabnn COPsinin absorpsiyonlu mini

    buzdolabna gre daha yksek olduu belirlenmitir.

    Yksek soutma ykleri iin uygun deildirler. Buhar sktrmal soutma

    sistemleri ile rekabet etmeli mmkn grlmemektedir.

    u an iin pahaldrlar.

    DC besleme gerektirir.

    5. Termoelektrik Soutucularn kullanm alanlar

    Termoelektrik soutucular yukarda belirtilen avantajlarndan dolay, tibbi cihazlardan

    gnlk hayatta kullandmz bir ok cihaza kadar birok uygulamada yer bulmutur. izelge

  • 1de termoelektrik soutma rnlerinin kullanm alanlar ve uygulamalar verilmitir [1,

    17,18].

    izelge 1. Termoelektrik soutmann kullanm alanlar ve uygulamalar

    Askeri/Uzay aratrmalar Elektronik soutma, soutulan elbise, tanabilir soutucu,

    kzltesi sensrlerin soutulmas, lazer diyotlarn

    soutulmas, telsiz istasyonlar iin kabin soutma, uzay

    teleskoplarnda.

    Bireysel Dinlenme tat soutucular, mobil ev soutucular, araba

    soutucular, tanabilir piknik soutucular, bira, arap veya

    su soutucular, iecek kutular soutucusu, motorsiklet

    kasketi soutucusu, tanabilir insulin soutucusu.

    Laboratuar ve bilimsel

    cihazlar

    Kzltesi sensrlerin soutulmas, lazer diyod soutucular,

    CCD soutucusu, entegre devrelerin soutulmas, vidicon

    tp soutucusu, laboratuar souk plaka, kartrc soutucu,

    souk oda, donma noktas refereans banyosu, mikrotome

    soutmas, elektroforesis hcre soutucusu.

    Endstriyel scaklk kontrol NEMA (ABD elektrik cihazlar reticileri birlii) ortamlar,

    kritik elemanlar sert evre artlarndan korunmas, PC

    mikroilemcileri, mikroilemcilerin ve bilgisayarlarn

    numerik kontrollerinde ve robotiklerde, yazc ve

    fotokopilerde mrekkep scaklnnn dengelenmesi, CCD

    kamerelarda.

    Resturant cihazlar Krema datcs, rplm krema datcs, tereya datcs

    eitli amalar la soutucular (tanabilir veya sabit), otel odalar

    soutucular, otomobil mini soutucular, otomobil koltuk

    soutucular, uak ime suyu soutucular, yolcu otobs

    soutucular, gemi soutucular, karavan soutucular,

    kamyon soutucusu, DNA dnglerinde, tibbi tehis cihazlar,

    mesaj veya tedavi amal scak/souk yataklarda.

    ekil 2 ve 7 arasnda eitli uygulamalarda piyasada ticari olarak bulunan

    termoelektrik soutma sistemleri gsterilmitir [17-19].

  • ekil 2. Piknik amal bir piknik soutucu ekil 3. Mini bir buzdolab

    ekil 4. Lazer ve medikal uygulamalar iin

    sv soutucu

    ekil 5. Arabalar iin mobil termolektrik

    soutucu

    ekil 6. Bir CPU soutulmas iin ekil 7. Vitrin tipi iecek soutucusu

  • tasarlanm termoelektrik soutucu

    6. Termoelektrik mod