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 modllerin seim ve tasarmnda sl ve elektriksel parametreler

Bir soutucunun tasarm ve seimi, genellikle retici firma tarafndan salanan

termoelektrik modln performans erilerine gre yaplmaktadr. Tasarm, termoelektrik

soutmann scak ve souk yzeyleri arasndaki scaklk fark (T) ve istenen soutma

kapasitesi ile balar. Belirlenen soutma kapasitesine gre T-Akm erisinden modln

akm iddeti belirlenir. Daha sonra Voltaj (V) -Akm (I) erisinde sfr soutma yk ve sfr

scaklk farknda gerekli voltaj farknn st ve alt limitleri belirlenir. Daha sonra s

kaynann sl direnci deerlendirilir [10].

Termoelektrik modllerde, akmn ynne bal olarak stma ve soutma

gerekletirilir. Dolaysyla stma ve soutma amalarnn ikisinin de istendii

uygulamalarda, tasarm soutma moduna gre yaplmalardr [6].

Termoelektrik modllerde snn ekildii ve snn atld ortam son derece

nemlidir. Is aktarm trleri olarak modller tasarm ve konstrksiyon olarak farkllk

gsterebilirler. Termoelektrik modllerde, havadan havaya, sudan havaya, havadan suya,

sudan suya ve souk plaka uygulamalar mevcuttur. ekil 8de s kaynann soutma

trlerine gre eitli modller gsterilmitir [7]. ekil 9da sudan havaya bir soutucu

modl ve ekil 10 da ise souk plakal termoelektrik soutucu modl gsterilmitir [17].

a b

c

ekil 8. Genel s kayna trleri; a) Serbest tanml hava soutmal s kayna, b)

Zorlanm tanml hava soutmal s kayna, c) Zorlanm tanml sv soutmal s

kayna

ekil 9. Sudan havaya bir termoelektrik

soutucu

ekil 10. Souk plakal termoelektrik

soutucu

Bir termoelektrik modln scak yzeyinden bulunduu ortama s verilir. Bu yzey

s kaynana baldr. Is kayna olarak su veya hava olabilir. Is kayna doal veya

zorlanm tanmla hava ile soutulduunda (ekil 8a ve 8b), scak yzeyin scakl (Th) ve

scak yzeyden atlan s, Qh aadaki denklemden bulunabilir [4];

hoh QUTT .+= (2)

ech WQQ += (3)

Burada, To snn aktarld ortam scakl (oC), U s deitirgecinin toplam sl

direnci (oC /Watt) ve Qc, termoelektrik modln souk yzeyinin ektii s (W) ve We (W)

termoelektrik modln ektii elektrik gc olup, I (Amper) ve V (Volt) baldr.

IVWe .= (4)

Is deitirgecinin sl direnci bilinmediinde scak yzeyin scakl, hava soutmal

doal tanmda ortam scaklna 20-40 oC, hava soutmal zorlanm tanmda ortam

scaklna 10-15 oC ve su soutmal da ise 2-5 oC ortam scaklna eklenerek bulunur.

rnein 20 oC bir ortamda serbest tanml hava soutmann yapld bir termoelektrik

modln scak yzeyinin scakl yaklak olarak 20+35=55 oC alnabilir.

Termoelektrik soutucunun souk yzeyinin scakl (Tc), eer yzey dorudan

soutulacak cisim veya ortam ile temasta ise cismin scakl veya ortamn scakl alnabilir.

Eer bir s deitirgeci arada varsa, sl direnlerin gz nne alnmas gerekir.

Bir termoelektrik soutucunun iki yzeyi arasndaki scaklk fark ( ch TTT = ), son

derece nemli bir parametre olup, sistem seiminde diyagramlarda temel eksenlerden birini

oluturur. Eer T

olduunda) farkdr [4]. Tipik bir termoelektrik modller iin tipik diyagramlar ekil 13 ve

ekil 14te gsterilmitir [17].

ekil 13. Th=25 oC iin T-V performans diyagram

ekil 14. Th=25 oC iin T-Qc performans diyagram

Sonu

Termoelektrik cihazlar g retimi ve soutma uygulamalarnda kullanlmaktadr.

Termoelektrik soutma uygulamalarna olan ilgi son zamanlarda artmtr. Termoelektrik

soutucular askeri ve uzay almalarnda, hassas lm aletlerinde, tbbi, endstriyel ve ticari

cihazlarda artk yaygn olarak kullanlmaktadrlar. Byk soutma ykleri iin

kullanlamamalar, dk COP deerleri ve greceli yksek maliyetleri temel dezavantajlar

olarak durmaktadr. Ancak, yakn gelecekte, evsel uygulamalar iin s pompas ve

T (oC)

T (oC)

iklimlendirme amal termoelektrik soutma sistemlerinin pazarda rekabete girecei tahmin

edilmektedir.

Termoelektrik sistemlerde kullanlana malzemeler verim zerinde etkisi olduundan

yariletken malzemelerindeki gelimeler bu tr cihazlarn daha verimli olmalarn salayaca

ve maliyetleri drecei dnlmektedir. Ayrca PV panellerden elde edilecek DC g ile

termoelektrik soutmann gerekletirmesi zerine de almalar planlanmaktadr. Bylelikle

termoelektrik cihazlar tamamen evre dostu ve iletme maliyeti dk sistemler olarak

karmza kabileceklerdir.

Termoelektrik soutma sistemleri yap ve kullanm amac olarak farkl tipleri

mevcuttur. Dolaysyla termoelektrik cihazlarn tasarm ve seiminde sl ve elektriksel

parametrelerin tm gz nne alnmaldr.

Kaynaklar

1. Riffat, S.B., Ma, X. 2003. Thermoelectrics: a review of present and potential applications.

Applied Thermal Engineering, 23:913935.

2. Chung, M., Miskovsky, N.M., Cutler, P.H., Kumar, N., Patel, V. 2003. Theoretical

analysis of a field emission enhanced semiconductor thermoelectric cooler. Solid-State

Electronics, 47:7451751.

3. Kl, M., Yiit, A. Is Transferi, 2. Bask, Alfa Basm yaym Datm Ltd. ti., stanbul,

2004.

4. Godfrey, S. 1996. An introduction to thermoelectric coolers. ElectronicsCooling, 2(3).

http://www.electronics-cooling.com

5. Bansal, P. K., Martin, A. 2000. Comparative study of vapour compression, thermoelectric

and absorption refrigerators. International Journal of Energy Research, 24: 93-107.

6. Godfrey, S. 1996. An introduction to thermoelectric coolers. ElectronicsCooling, 2(3).

7. Riffat, S.B., Ma, X. 2004. Improving the coefficient of performance of thermoelectric

cooling systems: a review. International Journal of Energy Research, 28:753768.

8. Chein, R., Huang, G. 2004. Thermoelectric cooler application in electronic cooling.

Applied Thermal Engineering, 24:22072217.

9. Yang, R., Chen, G., Kumar, A. R., Snyder, G. J., Fleurial, J. P. 2005. Transient cooling of

thermoelectric coolers and its applications for microdevices. Energy Conversion and

Management, 46:14071421.

10. Huang, B.J., Chin C. J., Duang, C.L. 2000. A design method of thermoelectric cooler.

International Journal of Refrigeration, 23:208-218.

11. Xuan, X.C. 2003. Investigation of thermal contact effect on thermoelectric coolers.

Energy Conversion and Management, 44:399410.

12. Xuan, X.C., Ng, K.C., Yap, C., Chua, H.T. 2002. The maximum temperature difference

and polar characteristic of two-stage thermoelectric coolers. Cryogenics, 42:273278.

13. Riffat, S.B., Ma, X. 2004. Optimum selection (design) of thermoelectric modules for large

capacity heat pump applications. International Journal of Energy Research, 28:1231

1242.

14. Xuan, X.C., Ng, K.C., Yap, C., Chua, H.T. 2002. Optimization of two-stage

thermoelectric coolers with two design configurations. Energy Conversion and

Management, 43:20412052.

15. Chen, K., Lin, G. T. 2002. Optimization of multiple-module thermoelectric coolers using

artificial-intelligence techniques. Internatonal Journal of Energy Research, 26:1269

1283.

16. engel, Y. A., Boles, M. A. Mhendislik Yaklamyla Termodinamik. eviren:Taner

Derbentli, McGraw Hill-Literatr Yaynclk, stanbul, 1996.

17. http://www.melcor.com/

18. http://www.marlow.com

19. http://www.fujitaka.com/pub/peltier/english/peltier_products.html