THIẾT KẾ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ HIỆU ỨNG NHIỆT PELTIER

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN NĂNG HUẤN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT BỊ ĐIỆN
TỬ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ HIỆU ỨNG NHIỆT PELTIER

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN NĂNG HUẤN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT BỊ ĐIỆN
TỬ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ HIỆU ỨNG NHIỆT PELTIER

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Cán bộ hướng dẫn chính: Nguyễn Thanh Tiên
Cấp bậc

: Thượng tá

Học hàm học vị

: Tiến sĩ

Cán bộ chấm phản biện 1: Nguyễn Ngọc Hòa
Cấp bậc

: Đại tá

Học hàm học vị

: GVC, Tiến sĩ

Cán bộ chấm phản biện 2: Trần Ngọc Qúy
Cấp bậc

: Trung tá

Học hàm học vị

: Tiến sĩ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
Ngày 8 tháng 10 năm 2015


Tôi xin cam đoan:
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn
trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và
pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Năng Huấn


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa ......................................................................................................
Bản cam đoan .....................................................................................................
Mục lục................................................................................................................
Tóm tắt luận văn..................................................................................................
Danh mục các ký hiệu, viết tắt, các bảng, các hình vẽ………............................
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................95

PHỤ LỤC


Tóm tắt luận văn:
Họ và tên học viên: Nguyễn Năng Huấn
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Lớp: CHTĐH 25B13

Khoá: 25B

Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Tiên
Tên đề tài: Thiết kế hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử
trên cơ sở công nghệ hiệu ứng nhiệt Peltier.
Tóm tắt:
Luận văn nghiên cứu những vấn đề sau:
- Tìm hiểu về hệ thống ổn định nhiệt độ, hệ thống điều chỉnh và ổn định
nhiệt độ sử dụng môi chất làm lạnh.
- Tìm hiểu về hiệu ứng điện nhiệt Peltier, các loại tấm Peltier phổ biến
trên thị trường hiện nay.
- Làm rõ tính ưu việt của hệ thống làm mát thiết bị điện tử sử dụng tấm
Peltier so với làm mát tự nhiên, làm mát bằng quạt gió hay sử dụng môi chất
lạnh (điều hòa nhiệt độ).
- Xây dựng mô hình hệ ổn định nhiệt độ cho các thiết bị điện tử hoạt
động ngoài trời sử dụng tấm Peltier.
- Thiết kế phần cứng thiết bị làm mát sử dụng Peltier.
- Xây dựng chương trình thực hiện luật điều chỉnh nhiệt độ bằng
phương pháp điều khiển PID.
- Hoàn thiện mô hình tủ chứa thiết bị điện tử cần ổn định nhiệt độ.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

D: Derivative – Vi phân.
I: Integral – Tích phân.
NTC: Negative Temperature Coefficient – Nhiệt điện trở nghịch.
PID: Proportional Integral Derivative – Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ.
P: Proportional – Tỉ lệ.
PCB: Printed Circuit Board – Bảng mạch in.
PV: Process Variable.
PWM: Pulse Width Modulation – Module điều khiển độ rộng xung.
TE: ThermoElectric.
SP: Set Point.


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 1.2. Một số loại Peltier nhiệt độ cao.........................................................................13
Bảng 1.3. Một số loại Peltier có kích thước nhỏ...............................................................14
Bảng 1.4. Một số loại Peltier hoạt động với nhiều giai đoạn............................................15
Bảng 1.5. Một số loại Peltier có tâm lỗ tròn......................................................................15
Bảng 1.6. Một số loại Peltier hình chữ nhật có tâm lỗ tròn..............................................16
Bảng 1.7. Một số loại Peltier ghép song song....................................................................16
Bảng 1.8. Một số loại Peltier dạng chuẩn..........................................................................17
Bảng 2.1: hệ số chọn quạt:.................................................................................................51
Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật Sensor nhiệt - PT100...........................................................56
Bảng 2.3. Bảng sự thật của TLP 250.................................................................................59
Bảng 3.1. Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID.......................................................74
Bảng 3.2. Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào thực nghiệm.....................75

Bảng 3.3. Bảng căn chỉnh hệ số Kp, Ki, Kd.......................................................................86

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Máy lạnh nén hơi.................................................................................................7
Hình 1.4. Máy lạnh ejectơ..................................................................................................10
Hình 1.7. Petier cho nhiệt độ cao.......................................................................................13


Hình 1.8. Peltier có kích thước nhỏ...................................................................................14
Hình 1.9. Peltier nhiều giai đoạn.......................................................................................15
Hình 1.10. Peltier có tâm lỗ tròn........................................................................................15
Hình 1.11. Peltier chữ nhật tâm lỗ tròn.............................................................................16
Hình 1.12. Peltier ghép song song.....................................................................................16
Hình 1.13. Peltier loại chuẩn.............................................................................................17
Hình 1.14. Một số cơ cấu làm mát sử dụng Peltier...........................................................18
Hình 2.2. Sơ đồ khối điều khiển.........................................................................................22
Hình 2.4. Sơ đồ chân vi điều khiển....................................................................................25
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi BUCK...................................................................27
Hình 2.6. Sơ đồ tương đương với phần tử chuyển mạch lý tưởng...................................27
Hình 2.7. Sơ đồ tương đương với phần tử chuyển mạch lý tưởng khi u = 1............27
Hình 2.9. Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn.........................................30
Hình 2.10. Phần tử lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp.................................................30
Hình 2.11. Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi tăng áp......................................................33
Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi buck-boost..........................................................34
Hình 2.13. Bộ biến đổi buck-boost với khóa chuyển mạch lý tưởng................................34
Hình 2.14. Bộ biến đổi buck-boost với khóa chuyển mạch lý tưởng khi u = 1................34
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi CÚK....................................................................36
Hình 2.17. Bộ biến đổi CÚK với khóa chuyển mạch lý tưởng..........................................36
Hình 2.18. Bộ biến đổi CÚK với khóa chuyển mạch lý tưởng khi u = 1..........................36

Hình 2.19. Bộ biến đổi CÚK với khóa chuyển mạch lý tưởng khi u = 0..........................36
Hình 2.20. Mô phỏng bộ biến đổi giảm áp........................................................................40
Hình 2.21. Cấu tạo của hệ con Calcul-Power...................................................................40
Hình 2.22. Cửa sổ thông số: a - khối Pulse Generator; ...................................................42
b - khối Generator, c- Nagryzka........................................................................................42
Hình 2.23. Dạng điện áp tín hiệu điều khiển IGBT..........................................................43
Hình 2.24. Điện áp ra bộ biến đổi buck khi đồ dài xung tương đối 40 (%).....................43
Độ dài xung tương đối 30 (%)............................................................................................43
Hình 2.25. Điện áp ra bộ biến đổi buck khi đồ dài xung tương đối 30 (%).....................43
Hình 2.26. Điện áp ra bộ biến đổi buck khi đồ dài xung tương đối 20 (%).....................44
Hình 2.27. Cấu tạo tấm Peltier...........................................................................................45
Hình 2.28. Sự truyền tải nhiệt............................................................................................46


Hình 2.29. Thông số của Peltier.........................................................................................46
Hình 2.30. Đặc tuyến của Peltier TEC1-12706.................................................................46
Hình 2.31. Tản nhiệt cho tấm Peltier.................................................................................47
Hình 2.32. Tủ chứa thiết bị phát nhiệt...............................................................................48
Hình 2.33. Quạt lưu chuyển khí lạnh trong hộp...............................................................51
Hình 2.34. Cặp nhiệt điện...................................................................................................53
Hình 2.35. Cảm biến đo nhiệt độ loại PT100....................................................................55
Hình 2.36. Mạch nguyên lý khối nguồn cho vi điều khiển...............................................57
Hình 2.37. Mạch nguyên lý khối nguồn cho TLP 250......................................................57
Hình 2.38. Mạch nguyên lý khối vi điều khiển..................................................................58
Hình 2.39. Sơ đồ chân của TLP 250..................................................................................59
Hình 2.40. Thay đổi độ rộng xung bằng TLP 250.............................................................60
Hình 2.41. Bộ giảm áp cho tấm peltier..............................................................................60
Hình 2.42. Mạch điều khiển quạt khuếch tán nhiệt lạnh trong tủ điện...........................61
Hình 2.43. Mạch giao tiếp với máy tính qua cổm com......................................................61
Hình 2.44. Mạch cấp nguồn dòng cho cảm biến PT100...................................................62

Hình 2.45. PCB mạch điều khiển.......................................................................................62
Hình 2.46. Mạch điều khiển sau khi gắn linh kiện ..........................................................63
Hình 2.47. Tủ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử..........................................................63
Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán phương thức điều khiển on/off...........................................64
Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển PID..........................................................................65
Hình 3.3. Sơ đồ khối khâu P..............................................................................................66
Hình 3.4. Đáp ứng khâu P.................................................................................................67
Hình 3.5. Sơ đồ khối khâu I...............................................................................................67
Hình 3.6. Đáp ứng của khâu I và P...................................................................................68
Hình 3.7. Sơ đồ khối khâu D..............................................................................................69
Hình 3.8. Đáp ứng khâu D và PD......................................................................................69
Hình 3.9. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID............................................................................70
Hình 3.10. Đáp ứng bộ PID................................................................................................70
Hình 3.11. Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ a................................73
Hình 3.12. Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ b................................73
Hình 3.13. Mô hình điều khiển với Kgh............................................................................75
Hình 3.14. Xác định hệ số khuếch đại tới hạn..................................................................75


Hình 3.15. Lưu đồ thuật toán PID.....................................................................................76
Hình 3.16. Bộ điều khiển mờ cơ bản.................................................................................76
Hình 3.17. Bộ điều khiển mờ động....................................................................................77
Hình 3.18. Cấu trúc bộ mờ điều khiển nhiệt độ................................................................79
Hình 3.19. Các tập mờ của biến ET...................................................................................80
Hình 3.20. Các tập mờ của biến DET................................................................................81
Hình 3.21. Các tập mờ biến ra P dạng singleton...............................................................81
Hình 3.22. các tập mờ của biến ra P dạng tam giác..........................................................81
Hình 3.23. Giải thuật điều khiển mờ.................................................................................82
Hình 3.24. Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ bằng mờ thích nghi..........................83
Hình 3.25. Lưu đồ chương trình PID................................................................................84

Hình 3.26. Đồ thị quá trình xác lập điều khiển PID.........................................................85
Hình 3.27. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp =15 và Kp=16................87
Hình 3.28. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp =17 và Kp = 18......................87
Hình 3.29. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp = 19 và Kp = 20.....................88
Hình 3.30. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp = 21 và Kp =22......................88
Hình 3.31. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kd = 0.1 và Kd = 0.2...................89
Hình 3.32. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kd = 0.3......................................89
Hình 3.33. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Ki = 0.01.....................................90
Hình 3.34. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Ki = 0.02.....................................90
Hình 3.35. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Ki = 0.03.....................................91
Hình 3.36. Đồ thị nhiệt độ bên trong tủ chứa thiết bị điện tử cần làm mát.....................91
Hình 3.37. Mô hình hệ thống ổn định nhiệt độ khi vận hành..........................................92


1

MỞ ĐẦU
Ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử là vấn đề rất quan trọng bởi nó ảnh
hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động, độ ổn định và tuổi thọ thiết bị. Chính
vì vậy việc ổn định nhiệt cho thiết bị luôn được nhà sản xuất tính toán kỹ để
phù hợp với từng thị trường, vùng miền có điều kiện khí hậu khác nhau. Đặc
biệt với các thiết bị tích hợp chưa nhiệt đới hóa. Trong thực tế các phương
pháp ổn định nhiệt độ truyền thống là làm mát tự nhiên, làm mát cưỡng bức
bằng quạt gió rất phổ biến bởi nó có ưu điểm giá thành rẻ và rất dễ thực hiện,
nhưng nhược điểm là hiệu suất làm mát thấp và gây ồn, thậm chí không thể áp
dụng được trong các điều kiện không gian nhỏ, nhiệt độ môi trường lớn ( trên
các trạm vũ trụ, thiết bị hàng không…). Với sự phát triển của công nghệ nhiệt
lạnh, ngày nay nhiều hệ thống điện tử còn được làm mát bằng hệ thống điều
hòa nhiệt độ. Việc này giúp tăng hiệu quả khi kết hợp với phương pháp làm
mát truyền thống. Tuy nhiên làm mát bằng điều hòa chỉ áp dụng cho các hệ

thống điện tử có quy mô lớn, vị trí cố định và bỏ qua tính kinh tế trong việc
tiết kiệm năng lượng cũng như giá thành vận hành hệ thống làm mát này.
Ngoài ra phương pháp làm mát bằng điều hòa cũng gây ồn, đọng nước….
Đối với những thiết bị điện tử mang tính tích hợp cao như các thiết bị bay,
các thiết bị có tính di động cao như máy tính…hay những hệ thống có quy mô
nhỏ, đòi hỏi đáp ứng làm mát nhanh ta không thể áp dụng phương pháp làm
mát truyền thống hay làm mát hiệu quả bằng điều hòa được. Xuất phát từ thực
tiễn đó việc tìm ra các phương pháp làm mát để mang lại hiệu quả cao có tính
kinh tế luôn được các nhà sản xuất không ngừng nghiên cứu.
Năm 1934 Peltier phát hiện ra hiệu ứng điện nhiệt. Hiệu ứng này được ứng
dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật như chế tạo cảm biến, động cơ piezo...Ngoài
những ứng dụng lớn đó ta còn có thể ứng dụng hiệu ứng này trong việc làm
mát thiết bị điện tử bởi nó có khả năng đáp ứng nhanh, giá thành rẻ, cấu trúc


2

nhỏ gọn, không gây ồn, dễ dàng thiết kế và việc điều khiển rất đơn giản bằng
modul xây dựng sẵn hay vi xử lý chuyên dụng. Chính vì vậy tác giả đã lựa
chọn đề tài “Thiết kế hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử trên cơ
sở công nghệ hiệu ứng nhiệt peltier”.
Luận văn gồm 3 chương, đề cập những vấn đề sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ trên cơ sở
hiệu ứng nhiệt - điện Peltier.
Với mục tiêu: Tìm hiểu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với thiết bị điện tử.
Các phương pháp ổn định nhiệt độ sử dụng môi chất lạnh, hiệu ứng điện nhiệt
Peltier và ứng dụng Peltier làm mát thiết bị điện tử.
Chương 2: Thiết kế sơ đồ chức năng thiết bị ổn định nhiệt độ sử dụng cặp
nhiệt điện Peltier.
Với mục tiêu: Xây dựng sơ đồ khối hệ thống ổn định nhiệt độ sử dụng cặp

nhiệt điện Peltier. Tính toán lựa chọn các khối và đi vào thiết kế mạch điều
khiển, xây dựng mô hình hệ thống.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển ổn định nhiệt độ.
Với mục tiêu: Đưa ra các phương pháp điều khiển thông dụng hiện nay, lựa
chọn phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ thống và xây dựng thuật toán điều
khiển hệ thống ổn định nhiệt độ trên cơ sở hiệu ứng nhiệt Peltier.
Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với thầy giáo
hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Thanh Tiên đã tận tình hướng dẫn định
hướng về nội dung và phương pháp nghiên cứu các vấn đề trong quá trình
thực hiện luận văn.
Tác giả trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật điều khiển đã
tận tình hướng dẫn nghiên cứu, tạo điều kiện thuận lợi, và đóng góp nhiều ý
kiến quý báu cho luận văn.


3

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả đồng nghiệp, bạn bè và
gia đình đã động viên và giúp đỡ rất nhiều để luận văn được hoàn thành.
Do thời gian có hạn, yêu cầu thiết bị thử nghiệm nên trong quá trình thực
hiện luận văn chắc chắn sẽ không tránh được những hạn chế. Vì vậy tác giả
kính mong nhận được sự góp ý và chỉ dẫn của các thầy cô nhiều hơn. Tác giả
xin chân thành cảm ơn!


4

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ
TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG NHIỆT- ĐIỆN PELTIER.

Nhiệt độ là một trong những thông số hoạt động quan trọng của các
thiết bị điện tử. Khi nhiệt độ làm việc thay đổi, dẫn đấn các tham số mạch
điện bị thay đổi, làm trôi các điểm làm việc trong các thiết bị điện tử tương tự,
làm thay đổi tính chất chuyển mạch của các thiết bị số, thậm chí làm phá hỏng
các linh kiệm công suất….Vì vậy các thiết bị điện tử luôn được ổn đinh nhiệt
độ, đặc biệt các linh kiện điện tử công suất.
Hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực. Với sự phát triển của công nghệ nhiệt lạnh, các hệ thống điều chỉnh
và ổn định nhiệt độ rất đa dạng về chủng loại và công suất. Những hệ thống
này chủ yếu ứng dụng trong công nghệ bảo quản thực phẩm, phục vụ đời
sống con người. Đối với lĩnh vực điện tử điều chỉnh và ổn định nhiệt độ giúp
cho thiết bị hoạt động ổn định hơn và nâng cao độ bền thiết bị. Trong thực
tiễn thiết bị điện tử thường được ổn định nhiệt độ bằng làm mát tự nhiên hoặc
bằng quạt gió, với những hệ thống lớn thường đặt trong các phòng được trang
bị điều hòa nhiệt độ. Ngoài ra dựa vào hiệu ứng điện nhiệt Peltier có thể xây
dựng hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử rất hiệu quả. Phần tiếp
theo sẽ khảo sát các phương pháp ổn định nhiệt độ.
1.1. Hệ thống điều chỉnh và trao đổi nhiệt.
Từ xa xưa con người đã biết làm lạnh và ứng dụng lạnh, tuy nhiên các ứng
dụng này đều dựa trên yếu tố tự nhiên như dùng các hang động có nhiệt độ
thấp để chứa lương thực, thực phẩm... Ngày nay kỹ thuật lạnh đã có những
bước phát triển vượt bậc, để làm lạnh có một số kỹ thuật như sau:
- Bay hơi khuếch tán:


5

Là hiện tượng nước bay hơi vào không khí chưa bão hòa. Đây là quá trình
đẳng entanpy nên độ ẩm không khí tăng lên khi đó nhiệt độ sẽ giảm xuống [3]
- Hòa trộn lạnh:

Ứng dụng sự phản ứng hóa học ta sử dụng các muối pha trộn để làm lạnh.
Ví dụ: hòa trộn 31 (gam) NaNO3 với 31 (gam) NH4Cl với 100 (gam) nước ở
10 (0C) ta được hỗn hợp có nhiệt độ - 12 (0C) [3].
- Tiết lưu khí không sinh ngoại công (hiệu ứng Joule-Thomson).
Có thể dãn nở khí không sinh ngoại công bằng cách tiết lưu chúng qua các
cơ cấu tiết lưu từ áp suất cao P1 xuống áp suất thấp hơn P2, không có trao đổi
nhiệt với môi trường để sinh lạnh [3].
- Dãn nở khí trong ống xoáy.
Khi cho một dòng không khí áp suất 6 (bar) ở 20 ( 0C) thổi tiếp tuyến với
thành trong của ống, vuông góc với trục ống phi 12 (mm) thì nhiệt độ ở thành
ống tăng lên trong khi nhiệt độ ở tâm ống giảm xuống. Khi đặt một tấm chắn
sát dòng thổi tiếp tuyến có đường kính lỗ < 12 (mm) thì gió lạnh sẽ đi qua
tấm chắn gió còn gió nóng đi theo hướng ngược lại. Độ chênh lệch nhiệt độ
lên đến 70 (K). Nhiệt độ phía lạnh đạt tới -12 (0C), phía nóng tới 58 (0C), áp
suất sau khi giãn nở bằng áp suất khí quyển [3].
- Tan chảy hoặc thăng hoa vật rắn.
Đây là phương pháp chuyển pha các chất tải lạnh như nước đá, nitơ lỏng và
đá khô [3].
- Bay hơi chất lỏng.
Khi quá trình bay hơi chất lỏng diễn ra bao giờ nó cũng gắn liền với quá
trình thu nhiệt. Nhiệt lượng cần thiết để bay hơi một kg chất lỏng gọi là nhiệt
ẩn bay hơi r. Vì nhiệt ẩn bay hơi của chất lỏng bao giờ cũng lớn hơn rất nhiều
nhiệt ẩn hóa rắn nên hiệu ứng lạnh lớn hơn.


6

Chất lỏng bay hơi đóng vai trò là môi chất làm lạnh và chất tải lạnh quan
trọng trong kỹ thuật lạnh [3].
- Khử từ đoạn nhiệt:

Đây là phương pháp sử dụng trong kỹ thuật cryô để hạ nhiệt độ của các
mẫu thử từ nhiệt độ sôi của hêli xuống gần nhiệt độ không tuyệt đối [3].
1.2. Hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh.
- Môi chất lạnh: là chất môi giới sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược
chiều để hấp thụ nhiệt của môi trường cần làm lạnh có nhiệt độ thấp và thải
nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn [3].
- Hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh:
Sử dụng môi chất làm lạnh để trao đổi nhiệt có nhiều hệ thống khác nhau,
tuy nhiên tính thông dụng hiện nay là loại máy lạnh nén hơi, máy lạnh hấp
thụ, máy lạnh nén khí, máy lạnh ejectơ [3].
1.2.1. Máy lạnh nén hơi:
Là loại máy lạnh có máy nén cơ để hút hơi môi chất có áp suất thấp và
nhiệt độ thấp ở thiết bị bay hơi và nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao đẩy vào
thiết bị ngưng tụ.
Môi chất lạnh trong máy lạnh nén hơi có biến đổi pha (bay hơi ở thiết bị
bay hơi và ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ) trong chu trình máy lạnh.
Máy lạnh nén hơi bao gồm 4 bộ phận chính là máy nén, thiết bị ngưng
tụ, van tiết lưu và thiết bị bay hơi. Chúng được nối với nhau bằng đường ống
như hình 1.1. Môi chất lạnh tuần hoàn và biến đổi pha trong hệ thống lạnh.
Các quá trình cơ bản bao gồm:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt hơi hút.
2-3: quá trình ngưng tụ hơi nén ở áp suất cao và nhiệt độ cao.
3-4: quá trình tiết lưu lỏng đẳng entanpy.
4-1: quá trình bay hơi ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp tạo hiệu ứng lạnh.


7

Sơ đồ nguyên lý máy lạnh nén hơi:

Hình 1.1. Máy lạnh nén hơi
Các loại môi chất lạnh thường là amoniac và các loại freôn. Tùy theo
môi chất sử dụng trong máy lạnh mà hệ thống có đặc điểm riêng và cần một
số thiết bị phụ riêng [3].
1.2.2. Máy lạnh hấp thụ:
Là loại máy lạnh sử dụng năng lượng dạng nhiệt để hoạt động. Máy lạnh
hấp thụ có các bộ phận ngưng tụ, tiết lưu và bay hơi giống như máy lạnh nén
hơi. Riêng máy nén cơ được thay bằng một hệ thống bình hấp thụ, bơm dung
dịch, bình sinh hơi và tiết lưu dung dịch. Hệ thống thiết bị này chạy bằng
nhiệt năng (như hơi nước, bột đốt nóng) thực hiện chức năng như máy nén cơ
là “hút” hơi sinh ra từ bình bay hơi và nén nên được gọi là máy nén nhiệt.
Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ:
Các thiết bị ngưng tụ, tiết lưu, bay hơi và các quá trình 2-3, 3-4, 4-1
giống như máy lạnh nén hơi. Riêng máy lạnh nén nhiệt có các thiết bị bình
hấp thụ, bơm dung dịch, bình sinh hơi và van tiết lưu dung dịch bố trí như
hình 1.2. Ngoài môi chất lạnh, trong hệ thống còn có dung dịch hấp thụ làm
nhiệm vụ đưa môi chất lạnh từ vị trí 1 đến vị trí 2. Dung dịch sử dụng thường
là amoniắc/nước và nước/liti-bromua.


8

Hình 1.2. Máy lạnh hấp thụ
Nguyên tắc hoạt động:
Dung dịch loãng trong bình hấp thụ có khả năng hấp thụ hơi môi chất
sinh ra ở bình bay hơi để trở thành dung dịch đậm đặc. Khi dung dịch trở
thành đậm đặc sẽ được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi. Ở đây dung
dịch được gia nhiệt với nhiệt độ cao (đối với dung dịch amoniắc/nước khoảng
1300C) và hơi amoniắc sẽ thoát ra khỏi dung dịch đi vào bình ngưng tụ. Do
amoniắc thoát ra, dung dịch trở thành dung dịch loãng, đi qua van tiết lưu

dung dịch về bình hấp thụ tiếp tục chu kỳ mới. Ở đây, do vậy có hai vòng
tuần hoàn rõ rệt.
Vòng tuần hoàn dung dịch: HT (bình hấp thụ) – BDD (bơm dung dịch) –
SH (bình sinh hơi) – TLDD (tiết lưu dung dịch) và trở lại HT.
Vòng tuần hoàn môi chất lạnh 1 – HT – BDD – SH – 2 – 3 – 4 – 1.
Trong thực tế và đối với từng loại cặp môi chất: amoniắc/nước hoặc cặp môi
chất nước/liti-bromua cũng như với yêu cầu hồi nhiệt đặc biệt máy có cấu tạo
khác nhau [3].
1.2.3. Máy lạnh nén khí:
Máy lạnh nén khí là loại máy lạnh có máy nén cơ nhưng môi chất dùng
trong chu kỳ không thay đổi trạng thái, luôn ở thể khí.


9

Máy lạnh nén khí có thể có hoặc không có máy dãn nở.
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.3. Máy lạnh nén khí
Nguyên tắc hoạt động:
Máy nén và máy dãn nở thường kiểu turbin, lắp trên một trục. Máy nén
hút khí từ buồng lạnh 1 nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao ở trạng thái 2 sau
đó đưa vào làm mát ở bình làm mát nhờ thải nhiệt cho nước làm mát. Sau khi
đã làm mát, khí nén được đưa vào máy dãn nở và được dãn nở xuống áp xuất
thấp và nhiệt độ thấp rồi được phun vào buồng lạnh. Quá trình dãn nở trong
máy dãn nở có sinh ngoại công có ích. Sau khi thu nhiệt của môi trường cần
làm lạnh, khí lại được hút về máy nén khép kín chu trình lạnh [3].
1.2.4. Máy lạnh ejectơ.
Máy lạnh ejectơ là máy lạnh có quá trình nén hơi môi chất lạnh từ áp
suất thấp lên áp suất cao được thực hiện nhờ ejectơ. Giống như máy lạnh hấp

thụ, máy nén kiểu ejectơ cũng là kiểu máy nén nhiệt, sử dụng động năng của
dòng hơi để nén dòng môi chất lạnh.
Sơ đồ nguyên lý:


10

Hình 1.4. Máy lạnh ejectơ
Nguyên tắc hoạt động:
Hơi có áp suất cao và nhiệt độ cao sinh ra ở lò hơi được dẫn vào ejectơ.
Trong ống phun, thế năng của hơi biến thành động năng và tốc độ chuyển
động của hơi tăng lên cuốn theo hơi lạnh ra ở bình bay hơi. Hỗn hợp của hơi
công tác (hơi nóng) và hơi lạnh đi vào ống tăng áp, ở đây áp suất hỗn hợp
tăng lên do tốc độ hơi giảm xuống. Hỗn hợp hơi được đẩy vào bình ngưng tụ.
Từ bình ngưng tụ, nước ngưng được chia làm hai đường, phần lớn được bơm
nén về lò hơi còn một phần nhỏ được tiết lưu trở lại bình bay hơi để bay hơi
làm lạnh chất tải lạnh là nước.
Máy lạnh ejectơ có 3 cấp áp suất P h > Pk > P0 là áp suất hơi công tác, áp
suất ngưng tụ và áp suất bay hơi.
Trong thực tiễn hệ thống điều chỉnh và trao đổi nhiệt sử dụng môi chất
lạnh được ứng dụng rất rộng rãi đó là các hệ thống điều hòa không khí. Mục
đích sử dụng đa dạng dẫn đến hệ thống điều hòa cũng rất đa dạng cả về quy
mô và lĩnh vực ứng dụng. Dễ nhận thấy hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi
chất làm lạnh được ứng dụng nhiều trong công nghệ bảo quản thực phẩm và
phục vụ con người (hệ thống điều hòa nhiệt độ)... Đối với các thiết bị điện tử
việc ứng dụng hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh rất hạn chế.


11

Chúng thường được ứng dụng để làm mát các phòng máy (các hệ thống máy
chủ…) có qui mô lớn và vị trí đặt cố định người ta thường dùng điều hòa
không khí [3].
1.3. Hiệu ứng điện nhiệt Peltier.
Năm 1934 Peltier phát hiện ra hiện tượng nếu cho một dòng điện một chiều
đi qua vòng dây dẫn điện kín gồm 2 kim loại khác nhau thì một đầu nối sẽ
nóng lên và đầu kia sẽ lạnh đi. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điện nhiệt
Peltier [3].
Đối với lĩnh vực điện tử đặc biệt sự phát triển vượt bậc của các thiết bị bay
có mật độ tích hợp cao thì hiệu ứng nhiệt điện có ý nghĩa rất quan trọng trong
việc phát triển thiết bị làm lạnh. Những ưu điểm của hệ thống ổn định nhiệt
trên cơ sở công nghệ hiệu ứng điện nhiệt Peltier là vượt trội so với các
phương pháp khác. Trong phần tiếp theo ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý của thiết
bị làm lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier.
1.4. Nguyên lý làm việc của thiết bị làm lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier.
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.5. Nguyên lý cấu tạo máy lạnh nhiệt điện
- Các thiết bị bao gồm:
+ Các cặp nhiệt điện 2, 3;


12

+ Các thanh đồng tản nhiệt phía nóng 1;
+ Các thanh đồng tản nhiệt phía lạnh 4;
+ Nguồn điện một chiều 5;
Nguyên lý hoạt động:
Muốn có chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bên nóng và bên lạnh, các cặp nhiệt
điện 2, 3 là khác dấu bằng bán dẫn đặc biệt bismut antimon, selen và các phụ

gia mắc nối tiếp chúng vào một nguồn điện một chiều. Các thanh đồng tản
nhiệt giúp quá trình tỏa nhiệt giữa phía nóng và lạnh hiệu quả hơn.
Ưu điểm: thiết bị lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier không gây tiếng ồn, không
có các chi tiết chuyển động và không sử dụng môi chất làm lạnh, thiết bị nhỏ
gọn dễ di chuyển. Một ưu điểm lớn là ta dễ dàng thay đổi chiều nóng lạnh
bằng cách đảo chiều nguồn điện [3].
Nhược điểm: thiết bị lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier có hệ số lạnh chưa cao,
tiêu tốn điện năng và phải chạy liên tục do không trữ được lạnh do các cặp
nhiệt điện 1, 2 là các cầu nhiệt lớn. Cho tới ngày nay năng suất lạnh ứng dụng
hiệu ứng Peltier dưới 200 (W). Với lượng công suất này hoàn toàn có thể đáp
ứng tốt việc ổn định nhiệt độ cho các thiết bị điện tử bởi với sự tiến bộ của
khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ngày càng được tích hợp nhỏ gọn [3].
Hiện nay các tấm Peltier được thương mại hóa, có thể dễ dàng đặt mua với
nhiều lựa chọn về kích thước và công suất làm lạnh. Một số loại tấm Peltier
phổ biến trên thị trường hiện nay.
1.4.1. Peltier có hiệu suất cao:
Peltier hiệu suất cao được sử dụng vật liệu chất lượng cao nên tiết kiệm
điện năng hơn, thời gian đáp ứng nhanh. Loại này cho hiệu suất rất cao Q max
có thể đạt tới 172 (W), kích thước khá nhỏ gọn và có dạng hình vuông. Nhiệt
độ mặt nóng có thể lên đến 80 (0C).


13

Hình 1.6. Peltier có hiệu suất cao
Bảng 1.1. Một số loại Peltier có hiệu suất cao.
Loại
HP-127-1.0-0.8
HP-127-1.0-1.3-71
HP-127-1.4-1.15-71

HP-127-1.4-1.5-74
HP-127-1.4-1.5-72
HP-127-1.4-2.5-72
HP-199-1.4-1.5
HP-199-1.4-1.15
HP-199-1.4-0.8

Imax

Qmax

Vmax

DTmax

A

B

C

(A)
5.8
3,6
8
6,3
6,2
3,7
6,1
7,9

11,3

(W)
56
36
80
65
62
37
94
120
172

(V)
15,7
16,1
16,1
16,7
16,3
16,3
24,9
24,6
24,6

(th=300k)
69
71
71
74
72

72
70
69
69

(mm)
30
30
40
40
40
40
40
40
40

(mm)
30
30
40
40
40
40
40
40
40

(mm)
3,1
2,6

3,4
3,9
3,9
3,9
4,1
3,6
3,2

1.4.2. Peltier cho nhiệt độ cao:
Mặt nóng Peltier nhiệt độ cao có thể đạt 200 (0C) và có nhiều lựa chọn về
điện áp làm việc.

Hình 1.7. Petier cho nhiệt độ cao
Bảng 1.2. Một số loại Peltier nhiệt độ cao
Loại

Imax

Qmax

Vmax

DTmax

DTmax

A

B

C

VT-127-1.0-1.3-71

(A)
3.6

(W)
36

(V)
16.1

(th=300k)
71

(Potted)
69

(mm)
30

(mm)
30

(mm)
3.6


14

VT-127-1.4-1.5-71

8

80

16.1

71

69

40

40

3.4

VT-127-1.4-1.5-72

6.1

62

16.3

72

70

40

40

3.9

VT-199-1.4-1.5

6.1

94

24.9

70

69

40

40

4.1

VT-199-1.4-1.15

7.9

120

24.6

69

68

40

40

3.6

VT-199-1.4-1.8

11.3

172

24.6

69

66

40

40

3.2

VT-31-1.0-1.3

3.9

8.4

3.8

69

64

14.8

14.8

3.6

VT-71-1.4-1.15

7.9

43

8.8

69

66

30

30

3.6

1.4.3. Peltier có kích thước nhỏ:

Hình 1.8. Peltier có kích thước nhỏ
Bảng 1.3. Một số loại Peltier có kích thước nhỏ
Loại

Imax

Qmax

Vmax

DTmax

A

B

C

D

H

TE-109-0.6-0.8

(A)
2.1

(W)
16.9

(V)
13.4

(th=300k)
68

(mm)
12

(mm)
12

(mm)
26

(mm)
26

(mm)
2.55

TE-11-0.6-1.5

1.1

0.9

1.4

70

4

4

9

9

3.25

TE-11-0.6-1.2

1.4

1.2

1.4

69

4

4

9

9

2.95

TE-11-0.6-1.0

1.7

1.4

1.4

69

4

4

9

9

2.75

Peltier có kích thước nhỏ bề mặt nóng, lạnh được phủ cách điện và lớp
mặt ngoài cùng dán bằng kim loại nên dễ dàng gắn lên các thiết bị cần gia
nhiệt hoặc tản nhiệt.
1.4.4. Peltier hoạt động với nhiều giai đoạn:
Loại này có hiệu suất thấp hơn các loại Pelttier khác.