Célula peltier: ¿Qué es y cómo funciona?

¿Sabes qué es un célula Peltier?, un término generalmente conocido como un mecanismo de refrigeración que circula en el mercado desde muchos años. Y en esta entrada además de conocerla, sabrás su funcionamiento, ventajas que reporta a los equipos y su importancia para algunos dispositivos electrónicos, así como sus contras. Un mecanismo relativamente económico pero muy útil para preservar la temperatura ambiente, y pese a ello no es muy popular entre los usuarios de hardware.

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Célula Peltier

La célula Peltier, aplica a diversos campos de la industria en general en los procesos refrigerantes, debido entre otros aspectos, a su utilidad y beneficios de los sistemas de enfriamiento de uso convencional. Razón por la cual procuraremos explicar en este artículo de qué se trata y sus principales prestaciones al sector.

Para empezar se debe resaltar su importancia en el proceso de la refrigeración termoeléctrica a través del modelo de células Peltier, cuya aplicación además es sustancialmente simple. Para ello, se ocupan básicamente 2 placas cerámicas separados por pilares o bases, los cuales se elaboran con 2 formatos de semiconductores. Uno clase P (en base a boro, indio, galio), así como el N (cuyos elementos son el fósforo, arsénico, antimonio).

De tal modo, que estos componentes actúan al hacer circular una corriente constante entre dichas planchas de cerámica, en tanto una de estas se enfría; la segunda placa recoge todo el calor perdido por la primera. Esta dinámica ni permite que la célula Peltier dependa tanto de la temperatura del medio ambiente para refrigerar.

Distinto del resto de sistemas de refrigeración, que son incapaces de refrigerar en temperaturas inferiores a la temperatura ambiente. Observándose entonces, en este sencillo y básico proceso se observa a simple vista, la utilidad de este método para lograr un alto desempeño en la refrigeración en los componentes.

¿Qué es?

En términos conceptuales, se entiende como célula Peltier a un sistema de bombeo de calor activa y en estado sólido, y al mismo tiempo fluye temperatura de una parte del equipo a otro, cuyo proceso se lleva a cabo a través del suministro eléctrico, según la dirección de la energía.

De este modo, una nevera, calentador o bomba de calor termoeléctrica Peltier, obedece a una bomba de calor activa en estado sólido para transportar temperaturas de un sector a otro de un equipo. Este proceso se llama célula Peltier, bomba de calor Peltier, refrigerador de estado sólido o termoeléctrico (TEC).

Se puede usar esta celda en sistemas de calefacción o refrigeración, a pesar que la práctica, su utilidad central se enfoca en la refrigeración. Al igual puede actuar como un controlador de temperatura, sea para calentar o enfriar.

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Su utilidades básicas con relación a la refrigeración por compresión de vapor que provee, se debe a su ausencia de elementos móviles o líquido circulante, lo que además le aporta una vida útil bastante duradera. Igualmente, es poco vulnerable a eventuales fugas, posee unas dimensiones muy pequeña y un formato maleable.

Igualmente, el enfriador o célula Peltier, tiene una utilidad dual, como mecanismo de enfriamiento, requiere un voltaje por medio del dispositivo, y en consecuencia, reportará temperaturas distintas en ambos lados. Mientras que si se usa como generador, un lado del dispositivo se calentará a temperaturas superiores que el otro, en consecuencia, será capaz de generar una diferencia en el voltaje entre sus 2 lados (conocido en el área industrial como efecto Seebeck).

No obstante, un enfriador Peltier con un diseño incorrecto, representa un generador termoeléctrico de bajo rendimiento, mientras que de hacerlo bien, reportará excelentes resultados. Ello en razón de sus diversos requerimientos de diseño y empaque.

Procesadores 3DIC

Para ilustrar un uso práctico de la célula Peltier, se puede mencionar una aplicación en algunos mecanismos o chips tipo 3DIC, para atender o solventar problemas de temperatura en circuitos integrados, donde el objetivo es colocar una placa Peltier sobre la pila, con el propósito que el dispositivo superior genere menos calor, al tiempo de permitir al chip inferior alcanzar una velocidad de reloj mayor. esto ocurre debido a la reducción de ahogamiento térmico entre ambos mecanismos.

¿Por qué no se usa en la refrigeración de componentes electrónicos?

Es conveniente mencionar, que su uso en el sector del hardware, a pesar de los beneficios que aporta, es muy limitada. Puesto que demandar fuentes de energía alta, el sistema es más ineficiente que la refrigeración líquida, sin referir a los disipadores aéreos. Hay que considerar en este sentido, que el calor generado por la placa caliente igualmente deberá disiparse. De tal forma, que habría que colocar un disipador para bajar el exceso de calor.

Se debe considerar igualmente, que la diferencia entre ambas caras de la célula Peltier, por lo general oscila los 70ºC. Luego de lo cual, la celda se torna ineficaz, en tanto que la fría comienza a calentarse. Al tiempo, que las 2 placas están próximas, y el calor tiende a subir, por lo que llega a afectar la zona fría de la célula.

Un ejemplo de ello, puede se puede observar en una placa de 40x40cm que puede alcanzar los 60W de calor que se deberá refrigerar, a lo que debe sumarse el inconveniente de necesitar energía eléctrica para su funcionamiento.

Ahora bien, a pesar de sus potenciales propiedades que puede reportar una célula Peltier, se pudiera inferir entonces, que su utilidad sería más amplia y extendida dentro de la comunidad de usuarios de hardware informáticos. No obstante, esto no es así. La razón obedece básicamente a que se trata de un sistema de refrigeración, a juicio de los expertos, muy deficiente.

Puesto que la temperatura que emana de la placa caliente, deberá eliminarse por otro proceso similar. Y esto conlleva a que deberá incluirse un disipador con mayores o menores proporciones para este fin; y aunque el mecanismo es económico en sí mismo, al adicionarse mecanismos alternos encarecen la inversión.

Se referir también el hecho, que en vista de la diferencia de temperaturas que reportan las planchas cerámicas, no es ilimitada. Y por  general, al llegar a los 70 ºC de manera continua, la célula se volverá tan ineficiente que comenzará a calentar por igual la placa fría. Un elemento que es inherente a la construcción de la célula Peltier, como es el caso que sus 2 extremos están muy cercanos, por tanto, la placa fría suele calentarse debido a la proximidad de la caliente.

En términos generales, se puede afirmar entonces, que esta particularidad de la célula, no hace factible que la refrigeración termoeléctrica sea adoptada por el área de la informática, o por lo menos su uso no es frecuente. Donde inclusive, muchos usuarios prefieren optar por las refrigeraciones por cambio de fase, que usar las células Peltier.

¿Cómo funciona?

Ahora bien, para saber cómo funciona una célula Peltier se puede ilustrar en un equipo electrotérmico ideado para generar frío, y partiendo de la la electricidad. Este actuará igual que una bomba de calor en condición sólida, es decir, permitirá trasladar calor de un ambiente frío a uno caliente, generando con ello, una oposición al gradiente de temperatura.

Ya sabemos, que los enfriadores termoeléctricos se llevan a cabo a través del efecto Peltier (referido usualmente como termoeléctrico). Igualmente, cualquiera sea el equipo donde se use, posee 2 lados, por lo cual, en el momento que una fuerza eléctrica de CC pasa hacia el dispositivo, conducirá calor de un lado al otro, de tal forma, que por un lado enfría y el otro se calienta, cuya dualidad, es lo que hace único a la célula Peltier.

De tal modo, que la zona caliente, está acoplada a un disipador calórico, cuyo objetivo, es que mantenga la temperatura ambiente, en tanto que el lado frío bajará a la temperatura del medio ambiente. En ciertas aplicaciones, muchos enfriadores se pueden conectar en forma de cascada, cuyo propósito es mermar y/o normalizar la temperatura.

Su construcción se fundamenta en dos semiconductores exclusivos, pues se requieren distintas densidades de electrones. Estos micro, se ubican térmicamente paralelos entre sí, y en serie en términos de electricidad. Igualmente están unidad a través de una placa térmica conductora en ambos extremos.

Al aplicar voltaje o electricidad a los lados libres de estos 2 semiconductores, se desarrolla un flujo eléctrico continuo gracias a la unión de estos componentes responsables de reportar temperaturas diferentes. El lado de la plancha refrigerante se encarga de absorber el calor, para luego moverse al otro extremo del equipo donde se encuentre el difusor de calor.

Por su parte, los enfriadores termoeléctricos, generalmente se conectan uno al lado del otro, en medio de las citadas planchas cerámicas. Mientras que capacidad para enfriarse de toda la unidad la determina la cantidad de TEC que posea este.

Donde un TEC contentivo de una sola fase, ocasionará una diferencia típica en la temperatura máxima de 70° C entre sus lados caliente y frío. Mientras más calor fluya el TEC, más deficiente será, puesto que requiere disipar tanto el calor que que circula, como el que genera, partiendo de su propio consumo de energético. El volumen de calor que absorbe, será proporcional a electricidad y al tiempo de exposición.

Ventajas

En cuanto a las ventajas que reporta una célula Peltier a los dispositivos donde se ubique, se pueden mencionar las siguientes:

  • No posee partes móviles, por lo tanto, demanda de poco y frecuente mantenimiento.
  • No contiene clorofluorocarbonos (CFC).
  • Es posible controlar la temperatura dentro de fracciones de un grado.
  • Tiene un formato flexible; sin dejar de mencionar que por lo general, es pequeño y compacto.
  • Se puede usar en ambientes pequeños o más severos que una refrigeración convencional.
  • Tiene una larga vida útil, además de reportar un tiempo medio entre fallas (MTBF), capaz de exceder las 100 mil horas.
  • Se puede controlar a través del cambio de la tensión de entrada/electricidad.
  • Son muy útiles en la refrigeración de hardware.

Desventajas

Como no todo es perfecto, la célula Peltier puede presentar algunas desventajas que bien vale la pena mencionar:

  • Permite disipar sólo un volumen limitado de flujo de calor, por lo que es especialmente útil en sistemas de alta generación de calor.
  • Está relegado sólo a aplicaciones con bajo ciclos de calor.
  • No resulta muy eficiente, en términos de rendimiento coeficiente, como los sistemas de compresión de vapor.
  • Presenta potenciales riesgos de sufrir quemaduras.
  • Existe el riesgo de contactos eléctricos directos.
  • Puede condensarse.
  • El calor generado por célula Peltier se debe disipar.

Peltier

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