Wofür ein thermoelektrischer Kühler WIRKLICH gut ist…
- Roger Stout
Märchen… Perpetuum Mobile… Nicht alle Märchen sind Perpetuum Mobile, aber alle Perpetuum Mobile sind sicherlich Märchen. Bevor ich jedoch auf die Besonderheiten thermoelektrischer Kühler eingehe, scheint es angebracht, die Bühne für diese spezielle Kategorie von Märchen zu bereiten.
Es gibt zwei klassische Arten von Perpetuum Mobile- „Maschinen“, die (nicht so kreativ) „Typ 1“ – und „Typ 2“ -Maschinen (oder ebenso kreativ Maschinen der „1. Art“ und „2. Art“) genannt werden. Typ-1-Maschinen sind diejenigen, die Ihnen wahrscheinlich sofort vertraut sind. Sie verstoßen gegen den Ersten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Typischerweise beinhalten Typ-1-Maschinen eine Art Drehmechanismus, der es durch sein cleveres Design schafft, immer ein Drehmoment in einer konstanten Richtung zu erzeugen (oder vielleicht die Richtung zu wechseln, aber mit einem Durchschnitt, der eine Richtung bevorzugt). Ohne Reibung (oder Last) würden sie sich für immer ohne Energiezufuhr bewegen. Typ-1-Maschinen sind so einfach zu bekommen, dass das US-Patentamt keine Anmeldungen für Maschinen dieses Typs ohne funktionierendes Modell akzeptiert. In den seltenen Fällen, in denen man zur Verfügung gestellt wird, liegt die „Klugheit“ immer darin, irgendwo eine kleine Energiequelle zu verstecken, und die Aufgabe des Patentbeamten ist es, schlauer zu sein als der Erfinder und sie zu finden! Die krassesten Beispiele für Typ-1-Maschinen sind, wo der Erfinder tatsächlich behauptet, eine Last zu fahren, obwohl es keine Energiequelle für die Maschine gibt. Hinterhältige Beispiele verbergen nicht die Tatsache, dass sie eine Energiequelle haben, sie behaupten lediglich, mehr Energie abzugeben, als sie aufnehmen. Zum Beispiel wurde ich vor ein paar Jahren gebeten, den „Free-Energy-Zero-Cogging-Generator“ zu bewerten, der behauptete, mehr elektrische Energie zu liefern, als die angetriebene Windkraftanlage. (In diesem Fall glaube ich, dass der Erfinder nicht absichtlich getäuscht hat, aber er wusste kläglich nicht, wie man elektrische Leistung misst!)
Typ-2-Maschinen sind subtiler. Sie verstoßen gegen den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Entropie (in einem geschlossenen System) nicht reduziert werden kann. Entropie ist ein etwas schwer zu fassendes Konzept, geschweige denn zu quantifizieren, aber sehr oft kann es auf die einfache Beobachtung reduziert werden, dass Wärme niemals passiv von einem kälteren Ort zu einem heißeren Ort fließen kann. Wenn das passiert zu sein scheint, haben Sie entweder etwas Entscheidendes verpasst, oder Sie haben einen echten Typ 2 Perpetuum Mobile. Ich erinnere mich (peinlich) an eine Prüfung in meinem ersten Thermodynamikkurs. Wir wurden gebeten, ein merkwürdiges (und fischig klingendes) Ding namens „Wirbelrohr“ zu bewerten.“ In einem Wirbelrohr wird Druckluft in die Basis eines T-förmigen Rohrs eingespeist, und erstaunlicherweise tritt kalte Luft aus einem Zweig des T und heiße Luft aus dem anderen Zweig des T. Ich war misstrauisch genug, um zu erkennen, dass dies implizierte, dass sich irgendwie etwas Energie von der Temperatur des einströmenden Stroms zum heißeren Ausgangszweig „bergauf“ bewegte. Die Problemstellung war sehr spezifisch und beinhaltete Massenströme, Temperaturen und Drücke, also fuhr ich fort, die Berechnungen durchzuführen, die zeigten, dass, obwohl keine Nettoenergie erzeugt wurde, die Nettoentropie der ausströmenden Luftströme geringer war als die Entropie des einströmenden Luftstroms, was seine Unmöglichkeit beweist. Es stellt sich heraus, Wirbelrohre sind eine echte Sache! Ich hatte einen Rechenfehler gemacht, obwohl der Professor großzügig genug war, mir einen Teil der Anerkennung dafür zu gewähren, dass ich zumindest daran gedacht hatte, nach einem Verstoß gegen das 2. Gesetz zu suchen. Mein Punkt hier ist, dass das 2. Gesetz in Betracht gezogen werden muss, wenn Sie versuchen, Energie von einem kalten Ort zu einem heißeren Ort zu „pumpen“.
Geben Sie thermoelektrische Kühler (oder TECS) ein. Dies sind clevere kleine Gadgets, die den etablierten Peltier-Effekt nutzen. Sie sind wie umgekehrte Thermoelemente. Sie haben sie wahrscheinlich selbst irgendwo in Form eines Bierkühlers oder ähnlichem gesehen. Sie funktionieren offensichtlich (und wurden patentiert). Eines der raffiniertesten Dinge an ihnen ist, dass sie keine beweglichen Teile haben und völlig leise sein können. Sie wenden Strom an den Klemmen des Geräts an, und eine „Seite“ des Gadgets wird kalt (das „Innere“ bei einem RV-Kühlschrank), während gleichzeitig die andere Seite (oder außen) heiß wird. Wenn die Temperatur Ihrer Umgebung irgendwo zwischen diesen beiden Temperaturextremen liegt, fließt Wärme notwendigerweise von der heißen Seite in die Umgebung und Wärme fließt von der Umgebung (oder was auch immer sie berührt, z. B. Ihr Bier) in die kalte Seite des Geräts. Wenn Sie aufpassen, werden Sie zwei Dinge abschließen: 1) dies könnte eine wirklich clevere Art sein, Elektronik zu kühlen, ohne Lüfter oder flüssige Kühlmittel verwenden zu müssen; und 2) wenn dies nicht gegen das 2. Gesetz verstößt, gibt es einen kritischen Punkt, den wir noch nicht in Betracht gezogen haben (und der uns am Ende beißen kann).
Hier ist das Ding: Es heißt die Carnot-Effizienz einer Wärmekraftmaschine. In der Anwendung gibt es Ihnen eine schnelle Einschätzung, basierend auf den beteiligten Temperaturen, der Menge an zusätzlicher Wärme, die Sie zu einem Kühlsystem hinzufügen müssen, um einen Teil dieser Wärme von einem kälteren Ort zu einem heißeren Ort zu bewegen. (In der Tat ist es das, was Sie vermeiden können, gegen das 2. Gesetz zu verstoßen). Der Argumentation halber könnte sich herausstellen, dass Sie, um 1 W aus einer Kreuzung zu entfernen, zusätzliche 1 W hinzufügen müssen, was bedeutet, dass Ihr endgültiger Kühlkörper 2 W anstelle der ursprünglichen 1 W an die Umgebung abweisen muss. Woher kommt die zusätzliche Energie? Durch diese schönen, ruhigen, elektrischen Anschlüsse. Volt angelegt mal Ampere geliefert entspricht zusätzliche Energie, die vorher nicht da war.
Ja, da ist der Haken! Sicher, Sie können einen Miniatur-Peltier-Kühler erstellen und die Sperrschichttemperatur (Tj, das „Innere“ einer elektronischen Komponente) auf etwas Kühleres als die Umgebung senken oder sogar – seien wir nicht gierig – einfach niedriger machen als ohne den Kühler! Das Problem ist, wenn Sie den Kühler einschalten, fügen Sie dem Gesamtsystem Energie hinzu, um diesen niedrigeren Tj zu erhalten. Aus der Sicht eines thermischen Makroanalytikers ist dies normalerweise das Falsche, da Sie in den meisten Fällen bereits Probleme hatten, die gesamte Wärme aus Ihrem System herauszuholen. (In der Tat ist dieses Problem, warum Ihr Tj heißer war, als Sie anfangen wollten.) Zum Beispiel muss der Widerstand Ihrer Leiterplatte möglicherweise 2x niedriger sein als zuvor (größerer Wärmeverteiler, größerer Lüfter usw.), um die vom Kühler hinzugefügte Wärme abzuweisen, um den niedrigeren Tj zu erhalten. Aber wenn Sie das tun könnten, dann hätten Sie das einfach tun sollen – mit anderen Worten, ohne den Kühler hinzuzufügen – und Sie hätten Ihren Tj trotzdem ein bisschen gesenkt!
Jetzt kann ich mir ein paar Situationen vorstellen, in denen ein TEC eine ausgezeichnete Wahl sein könnte, aber Sie müssen sich Ihrer Berechnungen sehr sicher sein. Die erste ist, wenn Sie eine sehr kleine, lokalisierte Wärmekonzentration haben und es sich leisten können, die Temperatur dieser Stelle zu senken, auf Kosten der Erwärmung von allem anderen um sie herum. Die zweite ist, wenn Sie tatsächlich die Temperatur eines bestimmten Geräts innerhalb eines Elektroniksystems steuern müssen, z. B. eines Bildsensors (wobei der sogenannte „Dunkelstrom“ ein ernstes Problem darstellt und mit der Temperatur schnell ansteigt). In diesem letzteren Fall müssen Sie einen gewissen Spielraum im „Wärmebudget“ Ihres Systems haben, da Sie aus Systemsicht zusätzliche Wärme loswerden müssen.
Mein Rat ist, sehr sorgfältig darüber nachzudenken, ob ein TEC wirklich das Richtige für Ihr Elektronikkühlproblem ist. Und die Verwendung zum Kühlen Ihres Bieres ist möglicherweise auch nicht die beste Wahl, wenn Sie versuchen, sorgfältig über die Kühlung Ihrer Elektronik nachzudenken! Du bist der Richter!