كفاءة مبرد بلتيير: الحدود، الحرارة، ومقايضات البطارية

الإجابة المختصرة: مبرد بلتيير يكون أكثر كفاءة عند فرق درجة حرارة معتدل لأن التيار الإضافي يولّد حرارة أيضًا.

اللوحة الأكثر برودة تبدو أفضل.

ليست القصة كاملة.

المزيد من الطاقة يمكن أن يخلق تبريدًا أقوى في البداية. كما يخلق حرارة أكثر. تستنزف البطارية بشكل أسرع، والجانب الساخن لديه عمل أكثر للقيام به.

التصميم الجيد يوازن أربعة أشياء:

• قوة التبريد؛

• فرق درجة الحرارة؛

• طرد الحرارة؛ و

• الطاقة الكهربائية.

هذا الدليل يحوّل هذه المصطلحات الهندسية إلى أسئلة شراء مفيدة.

ماذا تعني كفاءة مبرد بلتيير؟

غالبًا ما يستخدم المهندسون معامل الأداء، أو COP.

للتبريد:

COP = الحرارة المزالة من الجانب البارد ÷ طاقة الإدخال الكهربائية

الحرارة المزالة تسمى Qc. طاقة الإدخال تسمى Pin.

إذا أزال وحدة 4 واط من الحرارة بينما تستخدم 8 واط من الكهرباء:

COP = 4 ÷ 8 = 0.5

هذا لا يعني أن اللوحة "باردة بنسبة 50%".

يعني أن النظام ينقل 0.5 واط من الحرارة لكل واط من طاقة الإدخال الكهربائية تحت حالة الاختبار تلك.

تعرف Ferrotec COP لتبريد الطاقة الحرارية الكهربائية بأنها Qc ÷ Pin في نموذج الوحدة لديها.[1]

إذا كنت بحاجة إلى شرح أساسي لضخ الحرارة أولاً، اقرأ كيف يعمل مبرد بلتيير.

كفاءة الوحدة ليست كفاءة النظام

وحدة بلتيير ليست سوى جزء واحد من مبرد يمكن ارتداؤه.

قد يستخدم النظام الكامل أيضًا:

• مراوح الجانب الساخن؛

• مراوح راحة تحريك الهواء؛

• محولات الجهد؛

• أجهزة استشعار؛

• إلكترونيات التحكم؛ و

• دوائر حماية البطارية.

يقارن معامل أداء الوحدة فقط الحرارة المضخوخة بواسطة عنصر بلتيير مع مدخلاته الكهربائية الخاصة.

يجب أن يشمل معامل أداء النظام الطاقة المستخدمة بواسطة الأجهزة الداعمة.

راحة الجلد مسألة مختلفة مرة أخرى.

قد تبدو اللوحة المعدنية الباردة فعالة على مساحة صغيرة. لا يثبت هذا الشعور معامل أداء مرتفعًا. كما لا يعني أن الجهاز يبرد الجسم كله أو الغرفة.

افصل بين هذه المقاييس الثلاثة:

القياس	ما الذي يجيب عنه
معامل أداء الوحدة	مدى كفاءة مضخة الحرارة التلريدية في ضخ الحرارة عند نقطة تشغيل واحدة
كفاءة النظام	مقدار التبريد الذي يقدمه المنتج الكامل مقابل إجمالي الطاقة
راحة المستخدم	كيف تبدو منطقة التلامس، وتدفق الهواء، والملاءمة، وعناصر التحكم عند الاستخدام

يجب أن يطرد الجانب الساخن حرارة أكثر مما يمتصه الجانب البارد

لا يدمّر مبرد بلتيير الحرارة.

إنه ينقل الحرارة من الجانب البارد إلى الجانب الساخن.

يجب أن يطرد الجانب الساخن مدخلين:

حرارة الجانب الساخن (Qh) = حرارة الجانب البارد (Qc) + الطاقة الكهربائية (Pin)

استخدم المثال السابق.

تزيل الوحدة 4 واط من الجانب البارد. تستهلك 8 واط من الكهرباء.

يجب أن يطرد الجانب الساخن:

4 واط + 8 واط = 12 واط

لهذا السبب أهمية المشتت الحراري كبيرة جدًا.

تذكر شركة Ferrotec أن المشتت الحراري يجب أن يبدد كلاً من الحرارة المضخوخة والحرارة الناتجة عن جول بسبب الإدخال الكهربائي.[2]

إذا لم تتمكن حرارة الجانب الساخن من الهروب، ترتفع درجة حرارة الجانب الساخن. عندها يجب على الجانب البارد أن يعمل عبر فارق درجات حرارة أصعب.

ينخفض أداء التبريد.

لماذا يؤدي فارق درجات الحرارة الأكبر إلى خفض معامل الأداء

يُكتب فارق درجات الحرارة على النحو التالي ΔT.

للمبرد:

ΔT = درجة حرارة الجانب الساخن − درجة حرارة الجانب البارد

قد يبدو فارق درجات الحرارة الأكبر مثيرًا للإعجاب. لكنه أيضًا أصعب في الحفاظ عليه.

تؤثر ثلاثة تأثيرات داخل عنصر بلتيير:

1. تأثير بلتيير يضخ الحرارة نحو الجانب الساخن.

2. المقاومة الكهربائية تولد حرارة جول.

3. تعود الحرارة بالتوصيل من الجانب الساخن نحو الجانب البارد.

مع نمو ΔT، ينمو التدفق الحراري العكسي. يتبقى للوحدة سعة صافية أقل لحمل التبريد الفعلي.

يلاحظ دليل التصميم من Ferrotec أن سعة ضخ الحرارة تكون أعلى عندما تكون ΔT قريبة من الصفر وتنخفض مع زيادة فارق درجات الحرارة المطلوب.[3]

يؤدي ذلك إلى تحذير مهم بشأن المواصفات.

الحد الأقصى لـ ΔT عادةً ما يكون حدًا بدون حمل.

يُقاس عندما لا يدخل أي حمل حراري مفيد تقريبًا إلى الجانب البارد. تعرّف Ferrotec ΔTmax عند حمل حراري للجانب البارد يساوي صفرًا فعليًا.[4]

جلد الإنسان ليس حالة بدون حمل.

يزود الجلد اللوحة بالحرارة باستمرار. الهواء الدافئ، وضعف التلامس، وتسرب الحرارة عبر الهيكل تضيف المزيد من الحمل.

لذا فإن رقم الوحدة بدون حمل ليس وعدًا واقعيًا بدرجة الحرارة عند الرقبة.

لماذا إضافة التيار تتوقف في النهاية عن المساعدة

لا يرتفع تبريد بلتيير في خط مستقيم مع التيار.

ينمو حد الضخ المفيد لبلتيير تقريبًا مع التيار.

ينمو التسخين بالمقاومة مع مربع التيار.

ضاعف التيار، وقد يرتفع حد التسخين بالمقاومة حوالي أربع مرات إذا ظلت المقاومة متشابهة.

عند التيار المنخفض، قد تؤدي إضافة الطاقة إلى زيادة التبريد المفيد.

عند التيار الأعلى، يلحق تسخين جول. يصبح الجانب الساخن أصعب في التبريد. ينخفض معامل الأداء، ويرتفع طلب البطارية بسرعة.

أظهرت التجارب المضبوطة على وحدات التبريد الكهروحرارية أحادية المرحلة أن معامل الأداء (COP) ينخفض مع زيادة التيار، حتى عندما يمكن لتيار أكبر أن يزيد فرق درجة الحرارة في بعض الظروف.[5]

لهذا السبب، لعنصر بلتيير الواحد نقاط تشغيل مختلفة:

• أقصى كفاءة؛

• أقصى قدرة تبريد؛ و

• أقصى فرق درجة حرارة.

وهي ليست نفس النقطة.

بالنسبة لمنتج يمكن ارتداؤه، قد يوفر الوضع الأقصى إحساسًا أوليًا قويًا. قد يوفر الوضع المعتدل راحة مستدامة أفضل لكل واط.

المقاومة الحرارية تحدد مدى سخونة الجانب الساخن

غالبًا ما يُعبَّر عن أداء المشتت الحراري بالمقاومة الحرارية.

الوحدة الشائعة هي درجة مئوية لكل واط، وتُكتب °م/و.

استخدم هذه العلاقة المبسطة:

ارتفاع الجانب الساخن فوق درجة الحرارة المحيطة = المقاومة الحرارية للمشتت × حرارة الجانب الساخن

افترض أن الجانب الساخن يجب أن يطرد 12 واطًا.

مع مسار حراري 2°م/و، يكون الارتفاع المقدر:

12 واط × 2°م/و = 24°م

مع مسار 0.8°م/و:

12 واط × 0.8°م/و = 9.6°م

هذه أمثلة افتراضية. المنتجات الحقيقية تحتوي أيضًا على مقاومة تلامس، وتدفق هواء متغير، وإعادة تدوير هواء العادم الدافئ.

الدرس بسيط.

المقاومة الحرارية المنخفضة تُبقي الجانب الساخن أقرب إلى درجة الحرارة المحيطة. وهذا يعطي الجانب البارد مساحة أكبر للعمل.

يستخدم دليل المشتت الحراري من Ferrotec نفس تعريف ارتفاع درجة الحرارة مقسومًا على تدفق الحرارة.[2]

لماذا تعتبر المشتتات الحرارية للمنتجات القابلة للارتداء صعبة

يمكن أن يكون المشتت الحراري في المختبر كبيرًا وثقيلًا.

المنتج الذي يُلبس حول الرقبة لا يمكن أن يكون كذلك.

يجب على المصممين الموازنة بين:

خيار التصميم	الكسب المحتمل	التكلفة المحتملة
مشتت حراري أكبر	خفض درجة حرارة الجانب الساخن	زيادة الحجم والوزن
مروحة عادم أسرع	تبديد حرارة أفضل	مزيد من الضوضاء واستهلاك البطارية
بطارية أكبر	مدة تشغيل أطول	وزن أكبر
لوحة تبريد أكبر	مساحة تلامس أكبر	مزيد من الحمل الحراري وقيود التركيب
تيار أعلى	تبريد أولي أقوى	معامل أداء أقل، وحرارة أكثر، ومدة تشغيل أقصر
تحكم منخفض الطاقة	كفاءة أفضل	إحساس بارد أقل حدة

يستمر البحث في المبردات الحرارية القابلة للارتداء في التركيز على المشتتات الحرارية، ونشر الحرارة، وواجهات الجلد لأن تبديد الحرارة من الجانب الساخن يحد من التبريد المستمر.[6][7]

هذه هي المفاضلة المركزية للأجهزة القابلة للارتداء:

لا يمكن تحقيق أقصى قدر من التبريد ومدة التشغيل والوزن والضوضاء في وقت واحد.

ما الذي تغيره تدفقات الهواء في الجانب الساخن في الاستخدام الفعلي

يحتاج المشتت الحراري إلى هواء بارد يدخل ومسارًا واضحًا للعادم.

الشعر الطويل، أو الياقة العالية، أو حزام حقيبة الظهر يمكن أن يعيق ذلك المسار.

يمكن أيضًا أن يعود العادم الدافئ إلى المدخل. يسمي المهندسون هذا بإعادة التدوير.

قد يظل المنتج يعمل. قد تظل اللوحة باردة لفترة قصيرة.

لكن الجانب الساخن يسخن بشكل أسرع. يضعف التبريد المستمر.

عند مقارنة المنتجات، انظر إلى ما هو أبعد من عدد فتحات التهوية.

اسأل:

• من أين يدخل الهواء؟

• من أين يخرج الهواء الساخن؟

• هل يمكن للملابس أن تغطي أيًا من المسارين؟

• هل يخرج الهواء الساخن باتجاه الجلد؟

• هل يقلل الجهاز الطاقة عند ارتفاع حرارة الجانب الساخن؟

كيف تتغير مدة البطارية مع كفاءة بلتيير

انخفاض معامل الأداء يعني الحاجة إلى طاقة كهربائية أكبر لنفس كمية إزالة الحرارة المفيدة.

تأتي هذه الطاقة من البطارية.

إذا ضاعف الوضع الأقوى طاقة النظام، فقد تقترب مدة التشغيل من النصف في ظل ظروف مشابهة. أجهزة التحكم الحقيقية وفقدان التحويل وحماية البطارية تجعل العلاقة الدقيقة أقل دقة.

لا تقارن سعة البطارية وحدها.

قارن بين واط-ساعة والطاقة حسب الوضع ومدة التشغيل المقاسة. دليلنا لدليل مدة بطارية مروحة الرقبة يتضمن أداة تقدير بسيطة لمدة التشغيل.

تحقق أيضًا مما إذا كانت مدة التشغيل المنشورة تستخدم:

• وضع المروحة فقط؛

• التبريد النشط؛

• أدنى إعداد؛ أو

• وضع تلقائي مختلط.

يمكن لرقم واحد "يصل إلى" أن يخفي فرقًا كبيرًا.

كيف تقرأ ادعاء تبريد بلتيير

تتطلب ادعاءات درجة الحرارة شرط اختبار.

قبل الثقة في رقم، اطرح ستة أسئلة.

1. ما درجة الحرارة التي تم قياسها؟

هل كانت لوحة التبريد العارية، أو سطح الجلد، أو العادم، أو الهواء المحيط؟

هذه ليست قابلة للتبادل.

2. ما هي درجة الحرارة المرجعية؟

"أبرد بـ 20 درجة" قد تعني أقل من الهواء المحيط، أو أقل من الجانب الساخن، أو أقل من درجة حرارة اللوحة الأولية.

يجب تحديد المرجع.

3. هل كان هناك حمل حراري حقيقي؟

يمكن للوحة غير محملة أن تصل إلى درجة حرارة أقل من لوحة تلامس الجلد الدافئ.

ابحث عن بيانات محملة أو على الجسم.

4. كم استمر الاختبار؟

قد يدوم الحد الأدنى للشركات الناشئة لفترة قصيرة فقط.

درجة الحرارة المستدامة بعد الاستقرار الحراري أكثر فائدة.

٥. ما كانت الحالة المحيطة؟

سجل درجة حرارة الهواء والرطوبة وتدفق الهواء.

يتغير أداء الجانب الساخن مع البيئة.

٦. ما الطاقة والوضع المستخدمان؟

نتيجة درجة حرارة بدون واط ووضع وتأثير البطارية غير مكتملة.

لمقارنة أوسع لتدفق الهواء وتبريد التلامس والتبخر، انظر مراوح تنفخ هواء بارد مثل مكيف الهواء.

اختبار عملي لكفاءة بلتيير

لا تحتاج إلى مختبر كامل لتوليد أدلة أكثر فائدة.

تحتاج إلى طريقة مضبوطة.

قم بقياس هذه القيم

• درجة الحرارة المحيطة والرطوبة؛

• درجة حرارة الجانب الساخن؛

• درجة حرارة اللوحة؛

• الجهد الكهربائي والتيار؛

• إجمالي طاقة النظام؛

• مدة تشغيل البطارية؛

• وضع المروحة؛ و

• حمل الحرارة المطبق على الجانب البارد.

قم بإجراء ثلاث مقارنات

أولاً، اختبر مستوى تيار واحد مع تدفق هواء قوي للجانب الساخن وتدفق هواء مقيد.

ثانيًا، اختبر طاقة منخفضة ومتوسطة وعالية مع نفس حالة المشتت الحراري.

ثالثًا، كرر مع أكثر من حمل واحد على الجانب البارد.

انتظر حتى تستقر درجات الحرارة. كرر كل حالة.

ارسم:

• سعة التبريد مقابل التيار؛

• معامل الأداء مقابل التيار؛

• درجة حرارة الجانب البارد مقابل الوقت؛ و

• درجة حرارة الجانب الساخن مقابل الزمن.

لا تدمج طاقة الوحدة وطاقة النظام الكامل دون وضع علامات عليهما.

الأسئلة الشائعة

هل مبردات بلتيير موفرة للطاقة؟

يمكن أن تكون مفيدة للتبريد المدمج والمحلي والمضبوط بدقة، لكن معامل الأداء يعتمد بشدة على التيار وفرق درجة الحرارة والحمل الحراري وأداء المبدد الحراري.

لماذا تتوقف إضافة الطاقة عن المساعدة؟

يزداد الضخ المفيد لبلتيير مع التيار، بينما تزداد الحرارة الناتجة عن المقاومة تقريبًا مع مربع التيار وتزيد العبء على الجانب الساخن.

ما هو انخفاض درجة الحرارة الواقعي لبلتيير؟

لا يوجد رقم عالمي. استخدم بيانات الحالة المستقرة المحملة من المنتج الكامل تحت الظروف المحيطة المذكورة.

لماذا يصبح لوح التبريد أكثر دفئًا بعد بدء التشغيل؟

قد يكون الجانب الساخن يزداد حرارة، أو قد يزداد الحمل، أو قد يقلل المتحكم من الطاقة. كما أن تكيف الجلد قد يجعل اللوح يبدو أقل برودة.

هل عنصر بلتيير الأكبر يبرد دائمًا بشكل أفضل؟

لا. يحتاج أيضًا إلى طاقة كافية وتماس جيد مع اللوح وطرد حرارة من الجانب الساخن.

هل مبرد بلتيير أكثر كفاءة من الضاغط؟

يعتمد ذلك على الحجم والاستخدام. تفضل أنظمة بلتيير التحكم المحلي المدمج والحالة الصلبة؛ بينما تخدم الضواغط عادةً أحمال تبريد أكبر بكفاءة أعلى. سيشرح دليلنا القادم حول المقارنة بين الكهرباء الحرارية والضواغط الفرق.

الخلاصة

كفاءة بلتيير مشكلة نظامية.

لا تحكم عليها بدرجة حرارة اللوح وحدها.

افحص معامل الأداء والطاقة ودرجة حرارة الجانب الساخن وحمل الاختبار والأداء في الحالة المستقرة معًا.

الجهاز القابل للارتداء المصمم جيدًا لا يسعى إلى أدنى درجة حرارة ممكنة للوح بأي ثمن. يوازن بين الراحة المستدامة وطرد الحرارة والضوضاء والوزن وعمر البطارية.

الخطوة التالية: قارن نقطة تشغيل بلتيير مع بيانات وقت التشغيل المحددة بالوضع ودرجة حرارة الجانب الساخن للجهاز.

المصادر

1. Ferrotec — النمذجة الرياضية للوحدات الكهربائية الحرارية

2. Ferrotec — اعتبارات المبدد الحراري

3. Ferrotec — تصميم النظام الحراري

4. Ferrotec — مسرد المصطلحات الحرارية

5. المجلة الدولية للحرارة وانتقال الكتلة — تحقيق تجريبي لمبرد كهربائي حراري أحادي المرحلة

6. مجلة الهندسة الكيميائية — مبدد حراري مرن للتبريد الكهربائي الحراري القابل للارتداء

7. Science — الإلكترونيات الحرارية القابلة للارتداء للتنظيم الحراري الشخصي