Dnes vám ukážem malý experiment, ktorý využíva identické chladiče, podmienky prevádzky, ale rôzne teplovodivé pasty. Ako každý PC-čkar vie, teplovodivá pasta sa využíva na prepojenie čipu, procesora s chladičom a slúži ako tepelný most, ktorý efektívne odvádza teplo z povrchu čipu, alebo procesora. Cieľom bude porovnať tepelné vlastnosti teplovodivej pasty a taktiež aj jednotkovú cenu.

Nebudem dnes ukazovať procesor, ani výpočtový čip produkujúci teplo, ale chladiče si ukážeme v aplikácii s termoelektrickými generátormi (TEG-mi), ktoré umožňujú generovanie elektrickej energie termoelektrickým javom, t.j. z rozdielu teplôt medzi stranami polovodiča. To môže byť využité v IoT projektoch na dobíjanie batérie s využitím energy harvesting konverterov a podobne. TEG má chladnú a tzv. teplú stranu (môžeme ich nazvať aj doskami), pričom si ich môžete aj zvoliť, avšak potom nebude sedieť označenie vodičov červený na plus a čierny na mínus. Taktiež, aj ak by v aplikácii došlo k otočeniu pomeru teplej a chladnej strany, generátor bude generovať elektrickú energiu, avšak v opačnej polarite. TEG je plne bezúdržbový, jeho vnútro tvoria poloviče, ktoré sú vzájomne prepojené. 

Experiment bude pozostávať z termoelektrického generátora SP1848-27145, ktorý má rozmery 40 x 40 mm. Celkový výkon, ktorý môže generovať sú 3W, pričom naprázdno generuje následujúce napätie a prúd na základe tepelného rozdielu teplej a chladnej strany: 20° => 0.97V, 225mA 40° => 1.8V, 368mA 60° => 2.4V, 469mA 80° => 3.6V, 558mA 100° => 4.8V, 669mA.

Pripravil som si dva identické exempláre a taktiež dva pasívne chladiče 40x40 mm na ktoré som aplikoval teplovodivú pastu. Za stranu Aliexpressu som použil najdostupnejšiu pastu TR-922 v 5g balení za cenu 0,74 €. Za domovskú stranu som zvolil teplovodivú pastu MX-4 od ARCTICU za 4,69 € za 4g balenie.

Nakoľko ani jedna pasta nie je dodávaná s prípravkom na rozotieranie, musel som si zakúpiť samostatne. Využil som už pri nákupe na eshope ponuku na škrabky Thermal Grizzly scraper, nakoľko z Aliexpressu som už pastu mal skôr. Predávajú sa iba v trojkusovom balení za 4,69€. Po prerátaní ceny pasty za gram jadnoznačne vyhráva TR-922 s cenou 0,148€ za gram, u MX-4 je to 1,173€ za gram, teda TR-922 je 8 krát lacnejší, bude ale aj tak efektívnejší?

Na chladnú stranu generátora som umiestnil pasívny hliníkový chladič, pričom som použil teplovodivú pastu medzi chladnú stranu TEG-u a chladič. Pred aplikáciou pasty som vyčistil plochu TEG-u a chladiča isopropylalkoholom. Pri porovnaní hustoty jednotlivých pást je MX-4 ťažšie roztierateľná, ako TR-922, ale vyhovovalo to. TR-922 konzistenciou pripomína tavený syr. V oboch prípadoch som aplikoval tenkú vrstvičku pasty na celú plochu chladiča, ktorý som následne pritlačil na TEG a jeho chladnú stranu.

U oboch pást som pozoroval, že sa chladič ľahko pohol, ak som TEG agresívnejšie prenášal, či ak som do neho buchol. Nedržal ako prilepený a TEG nemá možnosť uchytenia chladiča napr. na skrutku. Preto v reálnej aplikácii by sa mal prevádzkovať v horizontálnej polohe položený na zdroji tepla. Pri vertikálnej pozícii by som zrejme dal okolo izolačku, aby sa časom chladič nezošmykol, prípadne by bolo vhodné chladič uchytiť cez teplovodivú obojstrannú pásku, tá by určite pomohla. Na test ale ostaneme iba u pasty.

Poďme si ešte pred samotných testom priblížiť parametre oboch pást. Datasheet Aliexpress pasty TR-922 hovorí o tepelnej vodivosti 0,67 W/mK. Pasta MX-4 disponuje tepelnou vodivisťou 8,5 W/mK a má účinok až 8 rokov (PC zostavy). Pri porovnaní tohto parametra je zrejmé, že v prípade MX-4 je tepelná vodivosť 12,6 krát vyššia ako v prípade pasty TR-922. Na modelovej situácii by to znamenalo, že ak by pasta TR-922 umožňovala znížiť teplotu odvádzaním tepla o 2°C, v prípade MX-4 by to bolo o 25,2 °C. Toto je ale údaj z datasheetu a reálne meranie sa môže výrazne meniť aj z ohľadom nato, že pasty nebudú vystavené tak veľkému tepelnému namáhaniu, ako v prípade chladenia procesora, na ktoré sú stavané. Termokrivka tak môže mať efektivitu až pri určitej teplote a pri nízkych teplotách môžu mať obe pasty veľmi podobné parametre.

TEG bude použitý v aplikáciách, kde bude výkyv teplôt medzi chladnou a teplou stranou s ohľadom na pasívne chladenie do 30°C maximálne, bežne do 20°C, čo výrazne predĺži aj životnosť pasty, keďže nebude mať tak veľa tepelných cyklov. V mojom prípade chcem používať chladnú stranu v ambientnom priestore, či už von, alebo dnu v miestnosti, iba s pasívnym chladením, nakoľko chcem neskôr v aplikáciách dobíjať batériu a nemať žiadne elektro nároky na udržanie systému v chode. Obe dosky strán TEG-u sú ploché  a je tak problematické dosiahnuť napríklad primontovanie TEG-u na rúry kúrenia, či vody, kedy je možné využívať odpadové teplo, avšak kontakt nebude po celej jeho ploche. Vo vnútri TEG-u sú polovodiče v pravidelnej mriežke, pričom ich je bežne aj cez 200 kusov, ktoré sú zapojené v sérii. Samotné dosky teplej a chladnej strany TEG-u sú keramické.

 

Test 1, bez zdroja tepla, výroba naprázdno pri izbovej teplote oboch dosiek:

TR-922	MX-4
1,2 mV	0,6 mV

Ako môžeme vidieť, TEG s pastou TR-922 vyrába viac energie, avšak v tomto prípade je to takmer identické a rozdiel zanedbateľný, nakoľko ani jedno z napätí by nebolo možné použiť v IoT aplikácii, nakoľko neexistuje obvod, ktorý by fungoval už s tak malým napätím. Minimálne by bolo nutné mať aspoň 20 mV (absolútne minimum a odporúča sa aspoň 100 mV a viac).

Test 2, rozohriatá podkladová platňa na 65°C, zčoho vyplýva, že rozdiel medzi stranami TEG-u bol niekde na úrovni 9-12 °C.

TR-922	MX-4
487 mV	493 mV

Test 3, výroba el. energie s teplou stranou vystavenou proti Slnku
Slnko je taktiež možné využiť ako zdroj tela. Teplá strana TEG-u musí byť však natretá na čierno, aby dokázala zachytávať slnečné žiarenie a ohrievať tak povrch teplej strany generátora. Záleží však aj na tom, akú čiernu farbu zvolíte. Matná čierna farba sa zohreje určite viac, ako leská, ktorá odráža slnečné lúče a v plnej miere neabsorbuje slnečné žiarenie. V mojom teste som použil matnú čiernu farbu s vysokou krycou schopnosťou. Drží veľmi dobre aj na keramickej ploche, i keď farba bola originálne určená na plasty a kovy.

Taktiež je tu aj iný peak, ak porovnávam ohrievanie ľudskou dlaňou. Na čiernej strane TEG-u som nameral peak 180 mV, pričom na bielej strane 254 mV, čo bolo prekvapivé. Z mojich testov vyplynulo, že na čierno natretý TEG vyrába 20x viac mV v porovnaní s nenatretou, bielou teplotu stranou TEG-u pri teplotnom ohrievaní zo slnečných lúčov, overené u oboch pást.

Resumé na koniec:
Pre teplotné rozpätie v ktorom sa TEG s pasívnym chladením používa je úplne jedno, ktorú z testovaných pást zvolíte, nakoľko rozdiely sú minimálne a prejavili by sa až pri vysokom teplotnom namáhaní, ktorým bude vystavená v počítači na procesore, grafickom čipe, či inej elektronike, ktoré sa vyžaduje chladenie a to aj aktívne, kedy sú rozdiely medzi teplou a chladnou stranou chladiča násobne vyššie. Rozhodne by ste pastou z Aliexpressu nechceli chladiť hi-end grafickú kartu, či procesor.

Pre zvýšenie efektivity chladenia strany TEG-u s chladičom môžete použiť aj sekundárny chladič s vodou, ktorá v ňom môže, i nemusí cirkulovať. Takéto chladiče sa väčšinou viažu predovšetkým s peltierovými článkami, ktorých opozitom je v podstate TEG.

Taktiež môže byť aj na tento chladič umiestnený pasívny chladič, alebo aj aktívny, ktorým som sa nechcel v tomto článku venovať, nakoľko chcem tieto TEG články do budúcna využívať pre napájanie IoT projektov bez nutnosti aktívneho chladenia, či čohokoľvek, čo by spotrebovalo elektrickú energiu pre systém chladenia. Určite budem skúšať aj tento typ chladenia a porovnania, o koľko je chladenie efektívnejšie, taktiež vyskúšam aj iné chladiče s inou výškou, či hustotou rebrovaní. Oba pasívne chladiče nižšie, ktoré sú viditeľné používajú teplovodivú obojstrannú pásku, ktorá je na nichod výroby. Drží fakt dobre, TEG sa ani nepohne ani pri prenášaní atď.

Prístupov 3236

Kvalita článku