Refrigeradores Termo-elétricos...

Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites

RefrigeradoresRefrigeradoresTermo-elTermo-eléétricos (TEC)tricos (TEC)

Dr. Valeri VlassovDivisão de Mecânica Espacial e Controle - DMC

Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites

INPE-2003

Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Thermoeletric Coolers - Dr. Valeri Vlassov - 01/09/2003

O que é o TEC?

• TEC – “ThermoElectroc Cooler

• Uma bomba de calor sem partes móveis – uso doefeito Peltier para bombear calor.

• Efeito Peltier – Quando corrente elétrica passaatravés do contato de dois diferentes condutores,uma diferença de temperatura se forma entre eles.

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Cronologia do invento

• 1834 – Jean Charles Athanase Peltier (França)descobriu o efeito de mudança de temperatura aopassar corrente através de 2 materiais diferentes.Fez conclusão errada: que a corrente fraca nãoobedece o lei de Ohm.

• 1838 – Emil Lenz explicou o fenômeno edemonstrou o efeito inverso.

• 1909 – Altenkitch desenvolveu a teoria básica

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Tipos de TEC

Two Section TEC

Square with hole TEC

Round with hole TEC

Oblong TEC

Multistage TEC

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Micro TEC

Two-section TEC

Standard TEC

Center Hole TEC

Multi-stage TEC

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Micro TEC

Two-section TEC

Standard TEC

Center Hole TEC

Multi-stage TEC

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Vantagens

• Não tem partes móveis

• Vida útil de mais de 100,000 horas deoperação (>11 anos).

• Não tem líquido.

• Permite controle com alta precisão ( de +-0.05 oC)

• Reversível (aquecimento-resfriamento)

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Desvantagens

• Baixa efetividade (COP~ <1) – Uso do TEC érazoável só para fluxos de calor baixos.

• Baixa eficiência em temperaturas baixas

• ∆T ótimo ~ 80..120 oC

• Umidade pode causar corrosão eletrolítica e entãodegradação e danificação do TEC.

• Solda nas junções impõe restrições na temperatura(~<120 oC)

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Um elemento de TEC

De web.me.unr.edu (*.ppt, Venkat Narla)

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Conexão elétrica dos elementos

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A vista do interior

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Materiais

Tipo n: Bismuth Telluride Selenium (BiTeSe) compoundTipo p: Bismuth Telluride Antimony (BiTeSb) compound

Conductor - Copper

Ceramic plate (Al2O3)

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Distribuição de temperatura

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COP – “Coefficient Of Performance”

TKRIITsQ cc ∆⋅−−⋅⋅= 25.0

IVPi ⋅=

i

cP

QPOC =..

Peltier effect Flows back to cold junction Conduction heat due to temp. diff.between junctions

s – coeficiente de Seebeck

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Parâmetros principais de TEC

∆Tmax – diferença de temperatura máxima quando Q=0

Qmax – fluxo de calor máximo quando ∆T=0

Imax – corrente elétrico quando ∆T= ∆Tmax

Vmax – voltagem quando I= Imax e Q=0

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Curvas de Performance

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Curvas de PerformanceTemperature Difference vs. Current

0

20

40

60

80

100

0 0.2 0.7 1.2 1.7 2.2 2.7 3.2 3.7 4.2

Current (Amp)

Tem

pera

ture

Diff

eren

ce

(K)

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Características do TEC devários estágios

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Figura de mérito

KZ

⋅=

ρα 2

tyConductivi Thermal K

yResistivit Electrical

tcoefficienSeebeck where

==

=ρ

α

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Temperature Difference vs. Figure of Merit

55

60

65

70

75

80

85

2.30E-03 3.20E-03

Figure of merit Z (1/K)

Tem

per

atu

re D

iffe

ren

ce

(K) At 303 K

At 293 K

cTZT ⋅=∆2

1max

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Z-meter

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Linhas de aplicação

• Resfriamento abaixo de temperaturade ambiente local

• Controle preciso de temperatura deobjeto

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Portable Cool Box

Beverages cooler

Water fountain cooling

Compact Refrigerator

COMMERCIAL

Black body ref.

CCD/LED/Infrared Detector

Night Vision Equipment

MILITARY / AEROSPACE

Dehumidifier

Cold plates

Heat Exchangers

INDUSTRIAL

Dew point hygrometer

Solidification point ref.

Ice point ref

Oil Pour point app

SCIENTIFIC

Blood Analyzers

Tissue Prep

DNA Research

MEDICAL

APLICAÇÕES PARA TEC

De web.me.unr.edu (*.ppt, Venkat Narla)

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Testes típicosThe minimal set of tests-• Mechanical Shock test• Vibration test• Shear force test• High temperature storage test• Temperature cycle endurance test

Failure Criteria-• Drop in TEC maximum cooling capacity below specified

rating• Increase in TEC resistance. (5% or higher)

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Aplicações espaciais

Visible detector cooling

CCD cooling

IR detector cooling

x-ray detector cooling

radiation shield cooling

black-body reference

UV detector cooling

laser interferometers

control element in VCHP e LHP

thermal cyclers

blood sample freezing

food refrigeration

O TEC está sendo usado no Hubble SpaceTelescope, Space Shuttle, ISS e vários satélites dedefesa, meteorologia, ciência e tecnologia

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Aplicações no INPE: VCHP

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Aplicações no INPE: ExperimentoSensor de Estrelas

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Fornecedores nos USA

www.kryotherm.ruKryotherm Engineering

www.thermoelectric.comThermoelectric Cooling America

www.tellurex.comTellurex

www.tetech.comTE Technology

www.hitech.comHitech Technologies

www.melcor.comMelcor

www.marlow.comMarlow Industries

www.ferrotec-america.comFerrotec America

Web-siteCompany

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Mais fornecedores

Fandis Italy http://www.fandis-tm.com Huayu China http://www.huayutec.com Hui Mao Cooling China http://www.huimao.com Komatsu Electronics Japan http://www.komatsu-electronics.com Kryotherm Russia http://www.kryotherm.spb.ru Osterm Russia http://www.zts.com/osterm Qinhuangdao Fulianjing China http://www.fulianjing.com RMT Ltd Russia http://www.rmtltd.ru SCTB NORD Russia http://www.sctbnord.com SIREC sri Italy http://www.sirec-it.com Supercool AB Sweden http://www.supercool.com Taihuaxing Trading China Thermion Ukraine http://www.zts.com/thermion

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Custo de TECs comerciais

$ 151.70$ 34.50Multi-stage4

$ 39.50$ 15.50Micro3

$ 25.10$ 18.70Center Hole2

$ 52.60$ 14.30Standard1

MaximumMinimum

Cost (in US Dollars)TypeN

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