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An isothermal calorimeter controlled by the Peltier effect has been designed and constructed in order to investigate reaction rates in solventwater mixtures. Because a thermal method was used a constant temperature environment was essential and this was achieved by using a water bath controlled to + 0.0010C. This callorinieter has been used to study the alkaline hydrolysis of methyl acetate in dimethylsulphoxide, and tetrahydrofuran - water mixtures at 15, 25 and 35 [degrees]C. The results of other investigations on similar reactions have been reviewed and an attempt has been made to correlate the electrostatic theories of Laidler and Eyring, and Amis and jaffe with these results. Finally, because it appears that specific solvent interactions play a major part in the reaction rates the role of water in the reaction mechanism has been examined. A mechanistic explanation has been proposed in order to correlate the rate of reaction with the composition of water-solvent mixtures which justifies the Laidler and Eyring treatment of solvent effects on ion-molecule reactions. / Bradford University

Soft actuation methods are a developing field of robotics deemed suitable for physical human-robot interactions due to the adaptability of materials and compliant structures. Thermo-active soft actuators are a subset of these which convert thermal energy to mechanical work in the form of elongation, bending, or twisting to conform to the environment. This study is divided into three major studies that all use actuators with a working principle of phase-change fluid vaporizing for expansion with applied heat from a Peltier. The first study evaluates the bandwidth and efficiency between (i) traditional Joule heating, and (ii) Peltier heating, finding that Peltier heating can considerably improve the operational bandwidth of the actuator. The second study uses a thin membrane actuator placed in a braided mesh to form a McKibben muscle capable of lifting 5N, and formed into a gripper capable of manipulating objects within the environment. The third study uses actuators of a solid, hollow and flexible Peltier embedded silicone structure and are evaluated and optimized in order to increase actuation speed, finding that the embedded flexible Peltier design was able to elongate over 50% of its original height in 20 seconds. The overall aim of all of these studies was to improve bandwidth, efficiency, actuator lifetime, and create more symmetrical actuation and deactuation cycles.

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El objetivo del presente trabajo de tesis es desarrollar un sistema de control de temperatura basado en el manejo del sentido de corriente a través de un dispositivo termoeléctrico denominado PELTIER, el cual permitirá variar el flujo de calor que será conducido a una carga; este trabajo implica desarrollar diversos subsistemas que interactúen de forma eficiente es por ello que se cuentan con objetivos secundario que facilitarán el funcionamiento óptimo de todo el sistema, entre ellos está el desarrollar un circuito electrónico que permita la regulación de tensión suministrada al Peltier, así como implementar un sistema de control de potencia que permita controlar el sentido de la corriente. Esto también implica elaborar un módulo de control digital que trabaje con un sensor de temperatura y pueda trabajar en coordinación con el control de potencia para lograr una variación de temperatura oscilante. Este trabajo se realizará con todas las especificaciones necesarias para poder dejar un sistema de control listo para añadirse a una cámara ambiental. Para poder detallar todo este trabaja se ha dividido el estudio y el desarrollo en diversas partes las cuales están mencionadas en capítulos y se nombran a continuación. En el capítulo 1, se va a encontrar una descripción y análisis del ambiente espacial, de esta forma se podrá apreciar como repercute el entorno espacial a los equipos electrónicos. En el capítulo 2, se puede apreciar un informe acerca de pruebas similares desarrollados por otros equipos de investigación los cuales se han considerados como referencia además se describe el diseño mecánico electrónico de la cámara ambiental que se va a elaborar en el Instituto de Radioastronomía, el cual es el ente encargado de realizar las pruebas. ii En el capítulo 3, se encuentra el diseño de todo el sistema así como la elección de los componentes y circuitos definidos en subsistemas. También se aprecia la interacción y relación que hay entre ellas. En el capítulo 4, se encuentra documentado las pruebas y resultados que se han obtenido del sistema luego de someterlo a simulaciones de funcionamiento. En la parte final de documento se presenta las conclusiones obtenidas gracias a las pruebas llevadas a cabo así como las respectivas recomendaciones respecto al desarrollo de este trabajo.

El presente asunto de estudio contempla el desarrollo de un dispositivo para terapia térmica superficial con el cual se puedan realizar terapias con calor y con frío, teniendo como elemento constructivo principal a la celda Peltier, la cual es un dispositivo termo - electrónico que, dependiendo de la polaridad e intensidad con que se alimenta, produce una diferencia de temperatura entre sus caras, efecto que será utilizado para los fines del presente proyecto. Para conocer más acerca de la Terapia Térmica se investigó sus efectos fisiológicos, terapéuticos, sus indicaciones y contraindicaciones, los tipos de agentes que las componen y las tecnologías más utilizadas actualmente tanto en el ámbito local como mundial. Se investigó también las aplicaciones actuales más comunes e innovadoras donde podemos encontrar el efecto Peltier, las mismas que sirvieron de base para plantear los bloques que componen el sistema. Para el desarrollo del dispositivo lo primero que se seleccionó fue la celda Peltier adecuada, de acuerdo a los requerimientos necesarios, luego, en base a las características de la misma, se seleccionó el sensor de temperatura y la forma de control digital a emplear, la cual fue implementada en un microcontrolador adecuado a los requerimientos del sistema. La etapa de potencia fue seleccionada de acuerdo a la forma de control elegida. Para que el usuario pueda introducir los parámetros de control se diseñó una interfaz amigable y sencilla. El calor generado en la cara caliente de la celda Peltier es menguado por medio de un bloque de disipación compuesto por un disipador y un ventilador, correctamente seleccionados para evitar que la celda Peltier se degrade rápidamente. Luego del diseño y la habilitación de cada uno de los subsistemas que componen el dispositivo se procedió a realizar las pruebas en conjunto, realizando pruebas operativas en vacio y sobre la piel, logrando controlar la temperatura de la forma planteada inicialmente.

El efecto Peltier, el cual se origina por el paso de una corriente eléctrica a través de la unión de dos conductores distintos, es un fenómeno que puede ser aprovechado para procesos de refrigeración y aire acondicionado. Para obtener el efecto refrigerante, con un dispositivo o celda Peltier, solo es necesario realizar trabajo eléctrico. Sin embargo, su uso es limitado debido a su bajo coeficiente de desempeño (COP). Los sistemas de refrigeración termoeléctricos no están en condiciones de competir con sistemas convencionales, debido a su desempeño energético. A pesar de ello, es una opción que debe ser explotada, debido a que su principal ventaja es no utilizar gases refrigerantes. Para ello, los parámetros relacionados con el coeficiente de performance (COP) deben ser diseñados, de tal forma que el sistema opere cerca del punto de máximo desempeño. Las superficies extendidas (aletas), son componentes que permiten el intercambio de calor, forman parte esencial de un sistema de refrigeración termoeléctrica. La magnitud de las resistencias térmicas influye en el desempeño de la celda Peltier. Por lo tanto, para el presente trabajo se realiza el análisis del comportamiento del sistema, formado por una celda Peltier el cual utiliza superficies extendidas. El objetivo principal es determinar la relación entre el coeficiente de desempeño de celda Peltier seleccionada, la cual permita extraer una carga de refrigeración de 100 W con las resistencias térmicas de sus focos frío y caliente. Se considera que las superficies extendidas son de aluminio y se ha elegido una celda Peltier comercial (TEC1-24126), formado por termopares de telururo de bismuto (Bi2Te3). En el modelamiento se ha considerado los procesos de transferencia de calor en superficies extendidas; flujo interno del aire y las relaciones termodinámicas entre los flujos de calor y trabajo en la celda Peltier. Las ecuaciones planteadas se han resuelto utilizando el software: “Engenering Equation Solver (EES)”, que utiliza una variación del método de Newton, para resolver sistemas de ecuaciones no lineales. Para el prototipo propuesto se ha comprobado la magnitud de cada resistencia térmica. La resistencia total en lado frío y caliente, respectivamente son 0,0838 W/K y 0,0840 W/K. Cada resistencia térmica está conformada por la resistencia de contacto, la resistencia de constricción o propagación y la resistencia térmica de la superficie extendida, la resistencia térmica más significativa corresponde a la superficie extendida que representa el 83%, luego la de constricción o propagación que representa un 12%, finalmente la resistencia térmica de contacto con un 5%. Con dichos valores, la celda Peltier seleccionada puede extraer una carga térmica de 101,4 W, con un coeficiente de desempeño de 0,65.

Thermoelectric phenomenon describes the relationship between the flow of heat and electricity. Two main categories encompassed in thermoelectric theory are the Seebeck and Peltier effects. The Seebeck effect is the generation of a voltage in a device that consists of two different materials in the presence of a temperature gradient, while the Peltier effect is the generation of a temperature gradient across a device of two different materials in the presence of an electrical current. This project focuses on the first of these two phenomena, where the Seebeck effect is used in a novel heat flux sensor that is transverse in nature. Transverse thermoelectric devices are characterized by their anisotropy, meaning that a temperature gradient generated across a device will be perpendicular to the flow of electricity through the device. This orthogonal arrangement allows for the manipulation of material properties, device arrangement, and construction methods for device optimization. This project characterizes the heat flux sensing capabilities of an artificially anisotropic transverse thermoelectric device via experimental and theoretical methods. The device tested is constructed out of bismuth telluride and titanium grade 5. Bismuth telluride is a standard thermoelectric material, while the titanium is used because of its high melting point and good electrical conductivity. The device is constructed by alternating rectangular pieces of these two materials. These pieces are bonded together at a given angle to simulate anisotropy. Several devices are constructed in a range of angles from 59 to 88°. These devices are each tested in a vacuum chamber where a heater heats one side of the device. This heat flux into the device creates a temperature gradient across the device and the device generates a voltage perpendicular to this temperature gradient. Steady state data are collected for both the temperature difference between the two sides of the device and the voltage generated by the device. This procedure is repeated on each device for a range of heat fluxes from 0 to 2.6 W/cm². This range generates voltage signals up to 14341 µV for an angle of 59°. Data collected are then used to generate a linear trend line that describes the devices response to a given heat flux. These experimental results are compared to theoretical predictions using thermoelectric theory. The results indicate that the device does exhibit transverse thermoelectric characteristics and the experimental data follow the predicted trends. This thesis documents the process of constructing, testing, and analyzing this device. / Master of Science

While thermoelectric technology has developed steadily over the last 50 years, transverse thermoelectrics have generally been ignored in the industrial and commercial uses of thermoelectric devices to date. This project focuses on investigating transverse thermoelectric effects for localized cooling and heat flux sensing. Thermoelectric cooling devices are useful when their advantages (small size, solid state, active temperature control) outweigh their relatively poor efficiency. Transverse heat flux sensors, which generate an electric field in a direction orthogonal to the heat flow, have the advantage that the signal depends on the length of the device rather than the thickness. Thus, they can be made very thin for fast response times while maintaining a large signal. A prototype transverse device was built out of bulk samples of bismuth and bismuth telluride, which are common thermoelectric materials. The device was constructed of alternating layers of the constituent materials to simulate the effects of an intrinsically anisotropic material. The device was tested for its cooling and heat flux sensing capabilities, and the results of this testing were compared to predicted values. Although the device failed to demonstrate cooling, its heat flux sensing capabilities were promising. The device was tilted to several angles of inclination between 44° and 84° from horizontal, and the output voltage was recorded for several values of heat flux. The signal strength varied between 190.2 and 2321.6 ìV/(W/cm2), at inclination angles of 84° and 44°, respectively. The results followed the trend of the predicted values well, but the magnitude of the output voltage was significantly lower than expected. An uncertainty analysis was performed, and it was determined that the most likely source of error was the uncertainty in the amount of heat flux that went through the device during testing. This thesis outlines the process of building and testing the device, and the analysis of the results. Recommendations for future work are also given. / Master of Science

Exploring the advancement of soft and variable impedance actuators (VIAs), the research focuses on their potential for enhancing safety and adaptability in physical human-robot interactions (pHRI). Despite the promising attributes of these technologies, their adoption in portable applications is still emerging. Addressing the challenges hindering the widespread implementation of soft actuators and VIAs, a multidisciplinary approach is employed, spanning materials science, chemistry, thermodynamics, and more. Novel compliant actuators utilizing phase-change materials and flexible thermoelectric devices are introduced, offering improved safety, adaptability, and efficiency. Thermo-active phase change soft actuators, integrating Peltier junctions, achieve precise thermal control and reversible actuation, overcoming traditional Joule heating limitations for more efficient and controlled thermal responses. The research also delves into thermal variable impedance actuators, using viscoelastic polymers like polycaprolactone (PCL) for variable stiffness and damping. This innovation enables rapid adaptation to changing load conditions, enhancing the dynamic performance of VIAs. Key contributions encompass the design of an agonist-antagonist system using thermo-active phase change materials, applications in soft robotic devices such as grippers and locomotion mechanisms, and the implementation of bidirectional heating elements within these actuators. The work also outlines the challenges encountered, such as gravity's influence on actuation and the frequency-dependent properties of PCL, setting the stage for future research directions to advance the field of soft robotics. Through these contributions, the research demonstrates practical applications of soft and variable impedance actuators in pHRI, paving the way for future innovations in soft robotics.