Termoelektryczne moduły Peltiera sięgają nieba
Dobrze zaprojektowane ogniwo termoelektryczne przewodzi ciepło z zimnej strony do gorącej, utrzymując urządzenie elektryczne w temperaturze niższej niż próg bezpieczeństwa. W ostatnich latach, modulacja szerokości impulsów (pulse-width-modulation - PWM) była wykorzystywana w omawianych układach jako metoda regulacji sygnału prądowego w trosce o poprawę ich wydajności. W finansowanym ze środków unijnych projekcie THERMICOOL (Thermoelectric cooling using innovative multistage active control modules), naukowcy poszukiwali sposobu zaawansowania technologii, wykorzystywanej w lotnictwie. Celem było podwyższenie statusu kontroli termicznej do 5 poziomu gotowości technologicznej (technology readiness level - TRL). W pierwszym kroku, przeanalizowano materiały, koncepcje chłodzenia, jak również systemy komercyjne. Wykorzystano tellurek bizmutu i antymonu (BiSbTe) jako najlepszy czynnik zwiększający wydajność ogniwa Peltiera, utrzymujący temperaturę zimnej strony pomiędzy 90 i 95°oC, natomiast gorącej - do 160°oC. Zespół THERMICOOL następnie opracował model obliczeniowy dla modułu opartego na tellurku BiSbTe, który analizowano w kontekście różnych scenariuszy przepływu termicznego. Sprzęt elektryczny o wymiarach zbliżonych do układu komercyjnego składał się z rdzenia zasilającego oraz płytek elektronicznych, służących do monitorowania i regulacji. W końcu, wykonano rozszerzoną serię testów laboratoryjnych. Aparatura eksperymentalna obejmowała węzeł termiczny, układ ogrzewania powietrza, zasilacze, czujniki rejestrujące i gromadzące pomiary strumienia ciepła i temperatury oraz panel, przewidziany do monitorowania nastaw roboczych. Aparatura eksperymentalna zawierała również aktywną regulację PWM. W szczególności, przekształtnik prąd stały – prąd stały wytwarzał pulsy prądowe odpowiadające określonym wzorcom, zasilając moduł termoelektryczny. W tym celu wdrożono różnorodne schematy przełączania zasilania. Doświadczenia przeprowadzone w ramach projektu THERMICOOL pokazały, że pętle regulacyjne są konieczne, aby zapewnić wielostopniową kontrolę termiczną w surowych warunkach pokładowych. Ponadto, ogniwo termoelektryczne musi wykazywać aktywność również w temperaturze umiarkowanej. W przeciwnym razie, efekt chłodzenia wystąpi wyłącznie przy szybkim skoku temperatury. Jakkolwiek wyniki doświadczalne zasadniczo odpowiadały przewidywaniom symulacji, zaznaczyły się wyraźne różnice. Odchylenia te znajdują uzasadnienie w eksperymentalnym charakterze projektu. Niektórych cech układu nie odwzorowano w symulacjach. Poczyniono pierwsze istotne kroki w kierunku wypracowania wielostopniowego termoelektrycznego układu chłodzącego, wymagające dalszych badań i prac rozwojowych, aby spełnić wymogi branży lotniczej.
Słowa kluczowe
Chłodzenie oparte na zjawiskach termoelektrycznych, modulacja szerokości impulsów, projekt THERMICOOL, poziom gotowości technologicznej, branża lotnicza
