Bởi vì hệ thống làm lạnh nhiệt điện thường được so sánh với một hệ thống truyền thống, cách tốt nhất để chỉ ra sự khác biệt trong hai phương pháp làm lạnh là mô tả hệ thống của chúng.
Một hệ thống làm lạnh truyền thống chứa đựng 3 phần cơ bản : máy bay hơi,
máy nén và bình ngưng. Máy bay hơi hoặc phần làm lạnh là phần mà chất làm lạnh
điều áp được cho phép dãn nở, sôi và bay hơi. Trong suốt sựthay đổi trạng thái từ lỏng
sang khí này, năng lương (nhiệt) được hấp thu. Máy nén đóng vai trò như bơm chất làm lạnh và tái nén khí thành chất lỏng. Bình ngưng đẩy nhiệt hấp thụ tại máy bay hơi
cộng với nhiệt đã tạo ra trong suốt quá trình nén ra môi trường xung quanh.
Thiết bị nhiệt điện có những phần tương tự. Tại mặt tiếp giáp lạnh, năng lượng (nhiệt) được hấp thu bởi điện tử khi chúng chuyển từ mức năng lượng thấp trong thành
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
phần bán dẫn loại p tới một mức năng lượng cao hơn trong thành phần bán dẫn loại n. Nguồn nuôi cho pin lạnh cấp một năng lượng để chuyển rời điện từ qua hệ thống. Tại tiếp giáp nóng, năng lượng được tiêu tán trên tấm tỏa nhiệt khi điện tử chuyển rời từ
thành phần có mức năng lượng cao (loại n) tới thành phần có mức năng lượng thấp (loại p). Bộ làm lạnh nhiệt điện cũng là sựbơm nhiệt: bơm nhiệt ở trạng thái rắn, bơm
nhiệt mà không di chuyển những phần chất lỏng hoặc khí.
Một cách tương tự thường được sử dụng để giúp hiểu một hệ thống làm lạnh TEC là một cặp nhiệt điện tiêu chuẩn được sử dụng đểđo nhiệt độ. Cặp nhiệt điện của loại này được làm bằng cách kết nối hai dây kim loại khác nhau, điển hình là đồng/ constantan, theo cách này hai tiếp giáp được tạo thành. Một tiếp giáp được giữ tại nhiệt độ tham chiếu, trong khi tiếp giáp còn lại được gắn tới vật được đo. Hệ thống
được sử dụng khi hở mạch tại một điểm nào đó và điện áp sinh ra được đo. Ngược lại, ta tưởng tượng có một năng lượng điện được đặt vào một cặp tiếp giáp trên cố định làm cho một tiếp giáp trở nên lạnh trong khi tiếp giáp còn lại trở nên nóng [11].
Hình 2.7: Mặt cắt của bộ làm lạnh nhiệt điện điển hình
Cặp làm lạnh nhiệt điện (Hình 2.7) được làm từ hai thành phần bán dẫn, cơ bản
là Bismuth Telluride, được pha tạp mạnh để tạo ra hoặc là thừa điện tử (loại n) hoặc là thiếu điện tử (loại p). Nhiệt hấp thu tại mặt lạnh được bơm tới mặt nóng tại một tốc độ tương ứng với dòng qua mạch và số cặp nhiệt điện.
Như vậy, thiết bị làm lạnh nhiệt điện là dựa trên hiệu ứng Peltier, mà sự chênh lệch nhiệt độ Δ được tạo ra giữa những bề mặt của những vật liệu khác nhau cấu
thành nên một pin Peltier khi một dòng điện Imax chạy qua chúng. Thêm vào đó, nếu
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
suất nhiệt này sẽ được chuyển tới mặt nóng của pin Peltier. Quá trình này kèm theo sự
giảm chênh lệch nhiệt độ tới Δ <Δ . Kết hợp n pin Peltier bằng cách kết nối
chúng nối tiếp về điện và song song về nhiệt, ta sẽ thu được một module peltier hoặc
bộ làm lạnh nhiệt điện (TEC), module peltier này có thể truyền công suất nhiệt nhiều
hơn n lần so với pin peltier đơn tại cùng một chênh lệch nhiệt độ. Điều kiện Δ = 0 tại dòng hoạt động của pin Peltier I=Imax được định nghĩa là công suất nhiệt lớn nhất
Pth,max mà có thể được hấp thụ tại mặt lạnh của module peltier
Ngược lại với chất dẫn nhiệt tự nhiên, hướng của dòng nhiệt bên ngoài qua module Peltier là song song với gradien nhiệt được tạo ra trong điều kiện Pth<Pth,max.
Trong điều kiện này hoạt động thuận lợi này của TEC, trở kháng nhiệt của module
Peltier là âm[3]:
, =−Δ (2.4) Do đó, việc đưa thêm vào module Peltier trong đường dẫn nhiệt của một hệ
thống dẫn lạnh, trở kháng nhiệt có thể được giảm xuống đáng kể. Ví dụ của một hệ
thống làm lạnh tăng cường như trên hình 2.8. Mặc dù nhiệt độ xung quang là 30oC, laser có thể vẫn hoạt động tại 55oC. Nếu không có sự hỗ trợ của TEC, nhiệt độ xung (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
quanh phải thấp hơn 10oC. Một thuận lợi thứ hai của một TEC là nó có thể điều chỉnh được. Cảm biến nhiệt độ ghi lại nhiệt độ của laser diode trên đế tản nhiệt, giá trị điện
thế trên cảm biến có thể được sử dụng như tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển nhằm điều chỉnh dòng qua pin Peltier để thiết lập nhiệt độ laser mong muốn.
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
Sự chênh lệch nhiệt độ đạt được giữa mặt nóng và mặt lạnh của Peltier module có thể được xác định từ các thông số của linh kiện TEC với dạng tổng quát như sau
[3]: Δ = 1− ( ) ( ) Δ , (2.5)
f, g là hàm của I/Imax phụ thuộc vào hệ số chất lượng nhiệt điện bên trong. Ví dụ, tại
I=Imax thì f=0 và g=1. Trong khi sự chênh lệch nhiệt độ được cố định cho mỗi cấu hình bộ làm lạnh TEC cho sẵn, thì nhiệt độ của mặt nóng TH và mặt lạnh Tc là không cố định. Những nhiệt độ này phụ thuộc rất nhạy vào trở kháng nhiệt mặt nóng của hệ
thống, bởi vì tại mặt nóng của module Peltier cả công suất nhiệt Pth của laser diode và công suất điện toàn bộ PPe của TEC cần được tiêu tán.
Vì công suất nhiệt có thể vận chuyển hay tiêu tán lớn nhất Pth,max tỉ lệ thuận với
số module Peltier N và điện trở nhiệt mặt nóng giảm xuống khoảng 1/N nên công suất
nhiệt lớn của laser có thể được tiêu tán bằng cách tăng số module Peltier. Trên hình 2.8 là cấu trúc của một bộ ổn định nhiệt độ sử dụng module peltier với sự thông gió hỗ
trợ bằng quạt điện. Nhiệt độ và điện trở nhiệt của từng phần bộ ổn định nhiệt độ cũng được chỉ ra trên hình vẽ [3].