펠티에 쿨러 효율: 한계, 열 및 배터리 상충 관계

간단한 답변: 펠티에 쿨러는 적당한 온도 차이에서 가장 효율적입니다. 추가 전류는 열도 발생시키기 때문입니다.

더 차가운 플레이트는 더 좋아 보입니다.

그것이 전부는 아닙니다.

더 많은 전력은 처음에는 더 강한 냉각을 만들 수 있습니다. 또한 더 많은 열을 발생시킵니다. 배터리는 더 빨리 소모되고, 뜨거운 쪽은 더 많은 작업을 해야 합니다.

좋은 설계는 네 가지를 균형 있게 조절합니다:

• 냉각 능력;

• 온도 차이;

• 열 방출; 그리고

• 전력.

이 가이드는 이러한 공학 용어를 유용한 구매 질문으로 바꿔줍니다.

펠티에 쿨러 효율이란 무엇을 의미하나요?

엔지니들은 종종 성능 계수(COP)를 사용합니다.

냉각의 경우:

COP = 냉각 측에서 제거된 열 ÷ 입력 전력

제거된 열을 Qc라고 합니다. 입력 전력을 Pin.

이라고 합니다.

모듈이 8와트의 전기를 사용하면서 4와트의 열을 제거한다면:

COP = 4 ÷ 8 = 0.5

그렇다고 플레이트가 "50% 차갑다"는 의미는 아닙니다.

이는 테스트 조건에서 입력 전력 1와트당 0.5와트의 열을 이동한다는 의미입니다. Ferrotec은 모듈 모델에서 열전 냉각 COP를 Qc ÷ Pin

으로 정의합니다.[1] 기본적인 열 펌핑 설명이 먼저 필요하다면,.

펠티에 쿨러의 작동 원리

펠티에 모듈은 웨어러블 쿨러의 한 부분일 뿐입니다.

전체 시스템에는 다음이 포함될 수도 있습니다:

• 방열 측 팬;

• 공기 순환용 컴포트 팬;

• 전압 변환기;

• 센서;

• 제어 전자 장치; 및

• 배터리 보호 회로.

모듈 COP는 펠티에 소자가 펌핑하는 열만 자체 전기 입력과 비교합니다.

시스템 COP에는 지원 하드웨어가 사용하는 전력이 포함되어야 합니다.

피부의 편안함은 또 다릅니다.

차가운 금속판은 작은 영역에서 효과적으로 느껴질 수 있습니다. 그 느낌이 높은 COP를 증명하지는 않습니다. 또한 장치가 몸 전체나 방을 식힌다는 의미도 아닙니다.

이 세 가지 측정 기준을 분리하여 유지하십시오:

측정 항목	답변하는 내용
모듈 COP	TEC가 한 작동 지점에서 열을 펌핑하는 효율
시스템 효율	전체 제품이 총 전력으로 제공하는 냉각량
사용자 편안함	접촉 면적, 공기 흐름, 착용감 및 컨트롤이 사용 중 느껴지는 방식

뜨거운 쪽은 차가운 쪽이 흡수하는 것보다 더 많은 열을 방출해야 합니다.

펠티에 쿨러는 열을 파괴하지 않습니다.

그것은 열을 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 이동시킵니다.

뜨거운 쪽은 두 가지 입력을 방출해야 합니다:

뜨거운 쪽 열(Qh) = 차가운 쪽 열(Qc) + 전기 전력(Pin)

앞의 예를 사용하십시오.

모듈은 차가운 쪽에서 4와트를 제거합니다. 8와트의 전기를 소비합니다.

뜨거운 쪽은 다음을 방출해야 합니다:

4W + 8W = 12W

이것이 히트 싱크가 매우 중요한 이유입니다.

Ferrotec은 히트 싱크가 펌핑된 열과 전기 입력으로 생성된 줄 열을 모두 방출해야 한다고 명시합니다.[2]

열면의 열이 빠져나갈 수 없으면 열면 온도가 상승합니다. 그러면 냉각면은 더 큰 온도 차이를 극복해야 합니다.

냉각 성능이 저하됩니다.

더 큰 온도 차이가 COP를 낮추는 이유

온도 차이는 다음과 같이 표기됩니다. ΔT.

냉각기의 경우:

ΔT = 열면 온도 − 냉각면 온도

더 큰 ΔT는 인상적으로 들리지만 유지하기가 더 어렵습니다.

펠티에 소자 내부에는 세 가지 효과가 작용합니다:

1. 펠티에 효과는 열을 열면 쪽으로 펌핑합니다.

2. 전기 저항은 줄 열을 생성합니다.

3. 열은 열면에서 냉각면 쪽으로 다시 전도됩니다.

ΔT가 커질수록 열 역류가 커집니다. 모듈이 실제 냉각 부하에 사용할 수 있는 순수 용량이 줄어듭니다.

Ferrotec의 설계 가이드에 따르면 열 펌핑 용량은 ΔT가 0에 가까울 때 가장 높고 원하는 온도 차이가 증가함에 따라 감소합니다.[3]

이는 사양에 대한 중요한 경고를 만듭니다.

최대 ΔT는 일반적으로 무부하 한계입니다.

이는 냉각면에 유용한 열이 거의 유입되지 않을 때 측정됩니다. Ferrotec은 ΔTmax를 사실상 냉각면 열 부하가 0인 상태로 정의합니다.[4]

인간의 피부는 무부하 상태가 아닙니다.

피부는 지속적으로 플레이트에 열을 공급합니다. 따뜻한 공기, 불량한 접촉, 하우징을 통한 열 누출은 부하를 더 증가시킵니다.

따라서 무부하 모듈 수치는 실제 목 냉각 온도를 약속하는 것이 아닙니다.

전류를 증가시켜도 결국 효과가 없는 이유

펠티에 냉각은 전류에 따라 직선적으로 증가하지 않습니다.

유용한 펠티에 펌핑 항은 전류에 대략 비례하여 증가합니다.

저항 발열은 전류의 제곱에 비례하여 증가합니다. 전류 제곱.

전류를 두 배로 늘리면 저항이 유사하다고 가정할 때 저항 발열 항이 약 4배 증가할 수 있습니다.

낮은 전류에서는 전력을 추가하면 유용한 냉각이 증가할 수 있습니다.

더 높은 전류에서는 줄 열이 따라잡습니다. 열면이 더 냉각하기 어려워집니다. COP는 떨어지고 배터리 소모는 빠르게 증가합니다.

단일 단계 TEC에 대한 통제 실험에 따르면, 더 큰 전류가 일부 조건에서 온도 차이를 증가시킬 수 있더라도 전류가 증가함에 따라 COP는 감소합니다.[5]

이것이 하나의 펠티에 소자가 다른 작동 지점을 갖는 이유입니다:

• 최대 효율;

• 최대 냉각 용량; 그리고

• 최대 온도 차이.

그들은 같은 지점이 아닙니다.

웨어러블 제품의 경우, 최대 모드는 강한 첫 느낌을 전달할 수 있습니다. 중간 모드는 와트당 더 나은 지속적인 편안함을 제공할 수 있습니다.

열 저항은 뜨거운 면이 얼마나 뜨거워지는지 결정합니다

방열판 성능은 종종 열 저항으로 표현됩니다.

일반적인 단위는 와트당 섭씨 온도이며, 다음과 같이 표기합니다 °C/W.

이 단순화된 관계식을 사용하세요:

주변 온도 대비 뜨거운 면의 상승 = 방열판 열 저항 × 뜨거운 면의 열

뜨거운 면이 12와트를 발산해야 한다고 가정합니다.

2°C/W 열 경로의 경우, 추정 상승은 다음과 같습니다:

12W × 2°C/W = 24°C

0.8°C/W 경로의 경우:

12W × 0.8°C/W = 9.6°C

이것들은 가상의 예입니다. 실제 제품에는 접촉 저항, 변화하는 공기 흐름 및 따뜻한 배기 재순환이 있습니다.

교훈은 간단합니다.

더 낮은 열 저항은 뜨거운 면을 주변 온도에 더 가깝게 유지합니다. 이는 차가운 면이 작동할 더 많은 공간을 제공합니다.

Ferrotec 방열판 가이드는 동일한 온도 상승을 열 흐름으로 나눈 정의를 사용합니다.[2]

웨어러블 방열판이 어려운 이유

실험실 방열판은 크고 무거울 수 있습니다.

목에 착용하는 제품은 그럴 수 없습니다.

설계자는 다음을 균형있게 조정해야 합니다:

설계 선택	잠재적 이득	예상 비용
더 큰 방열판	핫 사이드 온도 낮춤	크기와 무게 증가
더 빠른 배기 팬	더 나은 방열	소음과 배터리 사용 증가
더 큰 배터리	더 긴 사용 시간	무게 증가
더 큰 냉각판	더 넓은 접촉 면적	열 부하 및 장착 제약 증가
더 높은 전류	더 강한 초기 냉각	COP 감소, 열 증가 및 사용 시간 단축
저전력 제어	더 나은 효율	덜 강한 차가운 느낌

웨어러블 TEC 연구는 지속적인 냉각을 제한하는 핫 사이드 방열 때문에 방열판, 열 확산 및 피부 인터페이스에 계속 초점을 맞추고 있습니다.[6][7]

이것이 웨어러블의 핵심 트레이드오프입니다:

냉각, 사용 시간, 무게 및 소음을 동시에 모두 최대화할 수는 없습니다.

실사용에서 핫 사이드 기류 변화가 미치는 영향

방열판은 차가운 흡입 공기와 명확한 배기 경로가 필요합니다.

긴 머리, 높은 칼라 또는 백팩 스트랩이 그 경로를 막을 수 있습니다.

따뜻한 배기가 흡입구로 다시 순환할 수도 있습니다. 엔지니어들은 이를 재순환이라고 부릅니다.

제품은 여전히 켜질 수 있습니다. 플레이트는 짧은 시간 동안 여전히 차갑게 느껴질 수 있습니다.

하지만 핫 사이드는 더 빨리 뜨거워집니다. 지속적인 냉각은 약해집니다.

제품을 비교할 때는 통풍구 수만 보지 마십시오.

물어보십시오:

• 공기는 어디로 들어오나요?

• 뜨거운 공기는 어디로 나가나요?

• 옷이 두 경로 중 하나를 덮을 수 있나요?

• 배기열이 피부로 다시 불어오나요?

• 뜨거운 쪽이 과열될 때 기기가 전력을 줄이나요?

펠티에 효율에 따라 배터리 수명이 어떻게 변하는지

COP가 낮을수록 동일한 유용한 열 제거에 더 많은 전기 에너지가 필요합니다.

그 에너지는 배터리에서 나옵니다.

더 강한 모드가 시스템 전력을 두 배로 늘리면, 다른 조건이 유사할 때 런타임은 절반에 가까워질 수 있습니다. 실제 컨트롤러, 변환 손실 및 배터리 보호 기능 때문에 정확한 관계는 덜 깔끔합니다.

배터리 용량만 비교하지 마세요.

와트시, 모드별 전력 및 측정된 런타임을 비교하세요. 저희 넥팬 배터리 수명 가이드 에는 간단한 런타임 추정기가 포함되어 있습니다.

또한 게시된 런타임이 다음을 사용하는지 확인하세요:

• 팬 전용 모드;

• 능동 냉각;

• 최저 설정; 또는

• 혼합 자동 모드.

하나의 "최대" 숫자는 큰 차이를 숨길 수 있습니다.

펠티에 냉각 주장을 읽는 방법

온도 주장에는 테스트 조건이 필요합니다.

숫자를 신뢰하기 전에 여섯 가지 질문을 하세요.

1. 측정된 온도는 무엇인가요?

벌거벗은 냉각판, 피부 표면, 배기 또는 주변 공기였나요?

이들은 서로 대체할 수 없습니다.

2. 기준 온도는 무엇이었나요?

"20도 더 시원함"은 주변 공기보다 낮은지, 뜨거운 쪽보다 낮은지, 또는 판의 시작 온도보다 낮은지를 의미할 수 있습니다.

기준이 명시되어야 합니다.

3. 실제 열 부하가 있었나요?

부하가 없는 판은 따뜻한 피부에 닿는 판보다 더 낮은 온도에 도달할 수 있습니다.

부하가 있거나 신체에 부착된 데이터를 찾으세요.

4. 테스트는 얼마나 오래 실행되었나요?

시동 최소 온도는 잠시만 지속될 수 있습니다.

열적 안정화 후의 지속 온도가 더 유용합니다.

5. 주변 조건은 무엇이었습니까?

공기 온도, 습도 및 기류를 기록하십시오.

고온 측 성능은 환경에 따라 달라집니다.

6. 어떤 전력과 모드가 사용되었습니까?

와트, 모드 및 배터리 영향을 포함하지 않은 온도 결과는 불완전합니다.

기류, 접촉 냉각 및 증발에 대한 더 넓은 비교를 보려면 다음을 참조하십시오. 에어컨처럼 찬 공기를 불어넣는 팬.

실용적인 펠티에 효율 테스트

더 유용한 증거를 만들기 위해 완전한 실험실이 필요하지 않습니다.

통제된 방법이 필요합니다.

다음 값을 측정하십시오

• 주변 온도 및 습도;

• 고온 측 온도;

• 플레이트 온도;

• 전압 및 전류;

• 총 시스템 전력;

• 배터리 작동 시간;

• 팬 모드; 및

• 적용된 냉각 측 열 부하.

세 가지 비교를 실행하십시오

첫째, 강한 고온 측 기류와 제한된 기류로 하나의 전류 수준을 테스트하십시오.

둘째, 동일한 방열판 조건에서 저, 중, 고 전력을 테스트하십시오.

셋째, 둘 이상의 냉각 측 부하에서 반복하십시오.

온도가 안정될 때까지 기다리십시오. 각 조건을 반복하십시오.

그래프:

• 냉각 용량 대 전류;

• COP 대 전류;

• 냉각 측 온도 대 시간; 및

• 온열면 온도 대 시간.

라벨 없이 모듈 전력과 전체 시스템 전력을 함께 표시하지 마십시오.

자주 묻는 질문

펠티에 쿨러는 에너지 효율이 좋은가요?

컴팩트하고 국소적이며 정밀하게 제어된 냉각에 유용할 수 있지만, COP는 전류, 온도 차이, 열부하 및 방열판 성능에 크게 의존합니다.

전력을 추가해도 더 이상 효과가 없는 이유는 무엇인가요?

유용한 펠티에 펌핑은 전류에 따라 증가하는 반면, 저항 가열은 대략 전류의 제곱에 비례하여 증가하고 온면 부담을 증가시킵니다.

현실적인 펠티에 온도 강하는 어느 정도인가요?

보편적인 수치는 없습니다. 명시된 주변 조건에서 완제품의 부하가 걸린 정상 상태 데이터를 사용하십시오.

시동 후 냉각판이 더 따뜻해지는 이유는 무엇인가요?

온면이 따뜻해지거나, 부하가 증가하거나, 컨트롤러가 전력을 줄이고 있을 수 있습니다. 피부 적응으로 인해 판이 덜 차갑게 느껴질 수도 있습니다.

더 큰 펠티에 소자가 항상 더 잘 냉각되나요?

아니요. 적절한 전력, 판 접촉 및 온면 열 방출도 필요합니다.

펠티에 쿨러가 압축기보다 더 효율적인가요?

규모와 용도에 따라 다릅니다. 펠티에 시스템은 컴팩트하고 고체 상태의 국소 제어에 유리합니다. 압축기는 일반적으로 더 큰 냉각 부하를 더 효율적으로 처리합니다. 곧 출시될 열전 대 압축기 가이드에서 그 차이를 설명하겠습니다.

결론

펠티에 효율은 시스템 문제입니다.

판 온도만으로 판단하지 마십시오.

COP, 전력, 온면 온도, 테스트 부하 및 정상 상태 성능을 함께 확인하십시오.

잘 설계된 웨어러블은 어떤 대가를 치르더라도 가능한 가장 낮은 판 온도를 추구하지 않습니다. 지속적인 편안함, 열 방출, 소음, 무게 및 배터리 수명의 균형을 유지합니다.

다음 단계: 펠티에 작동점을 장치의 모드별 런타임 및 온면 온도 데이터와 비교하십시오.

출처

1. Ferrotec — 열전 모듈의 수학적 모델링

2. Ferrotec — 방열판 고려 사항

3. Ferrotec — 열 시스템 설계

4. Ferrotec — 열 용어 용어집

5. International Journal of Heat and Mass Transfer — 단일 단계 열전 쿨러의 실험적 조사

6. Chemical Engineering Journal — 웨어러블 열전 냉각용 유연한 방열판

7. Science — 개인화된 체온 조절을 위한 웨어러블 열전소자