فن آوري ترمو الكتريك

اوايل قرن نوزدهم آقايان، Thomas Seebeck و Jean Peltier ، توانستند پديده اي را كه پايه صنعت ترموالكتريك امروز است كشف كنند. Seebeck يافت كه اگر در محل اتصال دو هادي غير مشابه اختلاف دما ايجاد نمايد، جريان الكتريكي جاري ميشود .

از طرفي ديگر،  Peltier ثابت كرد كه جريان عبوري از ميان دو هادي غير مشابه،باعث مي شود كه گرما يا منتشر شود و يا در محل اتصال جذب شود.

به هر حال پس از پيشرفتهاي نيمه قرن بيستم در فن آوري نيمه هادي كابردهاي عملي وسايل ترموالكتريك ممكن گرديد. با فن آوريهاي مدرن، اكنون ما مي توانيم طرح هاي ترموالكتريكي را توليد كنيم كه پمپ گرماي مؤثر حالت جامد را براي سرمايش و گرمايش ايجاد مي كنند.

بسياري از اين واحد ها همچنين مي توانند براي توليد توان DC  در شرايطي خاص استفاده شوند (مانند تبديل گرماي تلف شده به جريان الكتريكي). كاربردهاي جديد و اغلب جالب ترموالكتريك هر روز در حال پيشرفت است.

اصول كار سيستم ترموالكتريك ( TE)
يك سيستم ترموالكتريك معمولي از يك رشته قرص نيمه هادي تلورايد بيسموت تشكيل گرديده است و به گونه اي تعبيه شده اند كه يك نوع از حاملهاي بار (مثبت يا منفي) بخش زيادي از جريان را حمل نمايد.

زوجهاي قرص N/P به گونه اي شكل داده شده اند كه از نظر الكتريكي با هم سري ولي از نظر گرمايي با هم موازي مي باشند. لايه هاي بيروني سراميكي آنها فلزي شده تا بتواند سطح پوششي  براي قرص ها ايجاد نموده و آنها را از نظر الكتريكي به يكديگر متصل نمايد. به اين ترتيب قرص ها و لايه هاي بيروني يك ساختار لايه اي را تشكيل مي دهند . اندازه هر طرح ترموالكتريكي بين  0.25 *   0.25اينچ مربع تا تقريبا 2×2 اينچ مربع تغيير مي كند .

طرحهاي ترموالكتريكي مي توانند به صورت منفرد يا به صورت گروهي با اتصالات سري، موازي و يا سري – موازي بكار روند. در بعضي از كاربردها از طرحهاي چند حالته استفاده مي كنند.

كاربرد سرمايي و گرمايي سيستم ترمو الكتريك :

وقتي ولتاژ  DC  به سيستم ترموالكتريك اعمال مي شود حاملهاي بار منفي و مثبت در رشته قرص ها، انرژي گرمايي را از يك سطح لايه خروجي دريافت و آن را در سطح طرف ديگر آزاد       مي كنند.

سطحي كه انرژي گرمايي از آن جذب مي شود سرد مي گردد و سطح مخالف كه انرژي گرمايي را دريافت مي كند گرم مي شود . با استفاده از اين روش ساده، “”تلمبه گرمايي””، فن آوري        ترمو الكتريك در كاربردهاي گسترده اي از قبيل خنك كننده هاي ليزرديودي كوچك، يخچالهاي قابل حمل، خنك كننده هاي مايع و غيره استفاده مي شود .

عملكرد توليد توان در سيستم ترمو الكتريك
با به كار بردن طرحي كه Seebeck  كشف كرد مولدهاي انرژي ترموالكتريك انرژي گرمايي را به انرژي الكتريكي تبديل مي كنند . وقتي كه اختلاف دما در اطراف يك وسيله ترمو الكتريك توليد مي شود يك ولتاژ DC دو سر ترمينال آن ايجاد مي گردد و چنانچه يك بار بطور مناسب وصل شود جريان الكتريكي برقرار مي گردد. كاربردهاي اين فن آوري شامل تأمين انرژي براي سيستم هاي مخابرات راه دور، دريانوردي وتأسيسات نفتي مي باشد.

مقايسه فن آوري هاي مختلف سرمايشي

انتقال گرما توسط حاملهاي بار در يك وسيله ترموالكتريك خيلي شبيه به روشي است كه خنك كننده هاي كمپرسي، گرما را در يك سيستم مكانيكي انتقال مي دهند. در سيستم خنك كننده  كمپرسي، مايعات گردشي گرما را از بار گرمايي به تبخير كننده اي كه در آن گرما مي تواند پخش شود انتقال مي دهد .

از طرف ديگر با استفاده از فن آوري T E  جريان مستقيم گردشي، گرما را از بار گرمايي به گرماگيرهائي (Heat Sink) كه گرما را به محيط بيرون انتقال مي دهند حمل مي كند . هر طرح سيستم ترمو الكتريك به تنهايي ظرفيت منحصر به فردي براي انتقال گرما بر حسب وات و يا BTU/H دارد اين ظرفيت مي تواند تحت تاثير عوامل بسياري قرار گيرد . مهمترين متغيرها دماي محدوده, مشخصه هاي الكتريكي و فيزيكي طرح ترموالكتريكي به كار برده شده و بازده سيستم پخش گرما هستند . از كاربردهاي معمول ترمو الكتريك, پمپ بارهاي گرمايي در محدوده اي از چندين ميلي وات تا صدها وات مي باشد.

مزاياي سيستم ترمو الكتريك
انتخاب فن آوري سرمايشي به نيازهاي خاص هر كاربرد بستگي دارد، اما خنك كننده هاي      ترمو الكتريك ( ( T Eفوائد متفاوتي در مقايسه با ساير فن آوريها دارند :

·          خنك كننده هاي T E هيچ قسمت متحركي ندارند و بنابراين مراقبت كمتري لازم دارند.

·          آزمايش طول عمر نشان داده كه طول عمر وسايل T E بيش از صد هزار ساعت در شرايط كار پايدار است .

·          خنك كننده هاي T E محتوي كلروفلوروئيد كربن يا مواد ديگري نيستند كه نياز به      پركردن مداوم داشته باشد .

·          كنترل دما تا جزئي ترين بخشهاي يك درجه به راحتي با سيستم T E ممكن است .

·    خنك كننده هاي T E در محيط هايي كه خيلي مهم ، خيلي حساس يا خيلي كوچك  هستند جهت خنك كننده گي استفاده مي شوند.

·          عملكرد خنك كننده هاي T E بستگي به محل و موقعيت هندسي ندارند .

·    جهت تخليه گرما در يك سيستم T E كاملآ قابل برگشت است . تغيير پلاريته منبع DC  باعث مي شود كه گرما در جهت ديگري تخليه شود . به اين ترتيب يك خنك كننده نيز     مي تواند مانند يك گرمازا عمل كند .

محاسبات طراحي

يك عنصر الكترونيكي حالت جامد را كه براي بهبود عملكرد و قابليت اطمينان خودنياز به سرمايش دارد در نظر مي گيريم . اين عنصر در محيطي با حداكثر دماي 50 درجه سانتيگراد قرار گرفته و داراي تلفاتي برابر 15 وات مي باشد . سرد كردن آن ماده تا 25 درجه سانتيگراد قابليت و اطمينان كاري را بالا مي برد .

سيستم خنك كننده ترمو الكتريك ويژگيهاي فيزيكي زير را خواهد داشت :

عنصر الكترونيكي در اتصال مستقيم با قسمت سرد سيستم خنك كننده T E قرار دارد .

گرماگير و پنكه در اتصال مستقيم با قسمت داغ سيستم خنك كننده T E قرار دارد .

بطوريكه مي دانيم گرما بطور طبيعي همواره از جاي گرم به جاي سرد منتقل مي گردد. وقتي تغذيه DC به سيستم ترمو الكتريك اعمال مي شود قسمت سرد از عنصر الكترونيكي سردتر مي شود، بنابراين گرما به طور طبيعي از آن عنصر به سيستم   T Eجريان پيدا مي كند . حاملهاي بار در ماده نيمه هادي دوباره گرما را از عنصر الكترونيكي به گرماگير منتقل مي كنند كه اين باعث مي شود كه دماي گرماگير افزايش پيدا كند . وقتي كه دماي گرماگير از دماي هواي اطراف تجاوز كند، گرما به طور طبيعي از گرماگير به هوا جريان مي يابد. بعنوان مثال چنانچه كميات طراحي برابر مقادير زير باشند.

(وات 15)  بارگرمايي عنصر الكترونيكي  =   Q