دستگاه خنک کننده ترموالکتریک ، گاهی اوقات به آن ترموالکتریک یا دستگاه خنک کننده «پلیتر» نیز می گویند .
که نیمه رسانای است که دارای اجزا و ترکیبات الکترونیکی است که عملکردهایی مانند گرم کردن با پمپ را در بر
می گیرد .
منبع نیرو با ولتاژ پایین DC با مدل TE کار می کند .
گرما از آن محدوده به طرف دیگر حرکت خواهد کرد ، بنابراین .
یک طرف خنک می شود وقتی که هنوز طرف دیگر همزمان گرم است ، مهم است به خاطر داشته باشید زمانی که این اتفاق معکوس می شود که به موجب آن قطبش نیز تغییر
می کند.
(مثبت و منفی) و ولتاژ DC سبب می شود که گرما به طرف دیگر برود، در نتیجه ، ترموالکتریک به کار برده می شود برای گرم سازی و خنک سازی در نتیجه بسیار مناسب است برای کنترل دقیق دمای مورد استفاده قرار می گیرد .
نظریه اساسی برای کاربران درباره تونایی دستگاه خنک کننده ترموالکتبیک داده شده است که با ارائه این نمونه ، مفید است .
یک نوع مرحله ترموالکتریک در یک مخزن گرمایی است که دمای اتاق را نگه می دارد و سپس به یا باطری مناسب متصل می شود .
یا به دیگر منابع نیروی DC متصل می گردد .
طرف سرد نمونه تقریباً به دمای می رسد .
در این لحظه نمونه بدون گرما پمپ می شود و به بیشترین میزان ولتاژ T می رسد .
اگر گرما به تدریج به طرف سرد نمونه اضافه شود ، قسمت سرد دمایش بالا می رود و سرانجام برابر قسمت گرما می شود .
در این هنگام دستگاه خنک کننده TE به بیشترین میزان گرما می رسد (). دستگاههای خنک کننده ترموالکتریک به یخچالهای مکانیکی کنترل کنند با همان قوانین بنیادی ترمودینامیک و سیستم های سردسازی اگرچه به طور قابل ملاحظه ای در فرم متفاوت هستند عملکردشان به یک صورت می باشد .
در سیستم های سردسازی مکانیکی دستگاه فشار برای فشردن هوا به مایع فشار می آورد در میان سیستم سرما راپخش می کند .
فضای تبخیر کننده یا منجمد کننده که به نقطه جوش می رسد طی مراحل تدریجی مداوم تبخیر می شود .
دستگاه سرد کننده گرما را می گیرد (جذب می کند) به همین علت است که دستگاه سرد
می شود .
گرمای جذب شده توسط دستگاه سرد کننده به طرف دستگاه منقبض کننده حرکت می کند .
در جایی که سردکننده تراکم را به محیط انتقال می دهد در سیستم سردسازی ترموالکتریک پیش بینی می شود که یک نوع نیمه هادی جای مایع سرد کننده را می گیرد و منقبض کننده جایگزین قسمت گرمایی می شود .
دستگاه فشردن هوا جایگزین منبع نیروی DC می شود .
استفاده از نیروی DC در ترموالکتریک به این علت است که الکترون ها به طرف مواد نیمه هادی حرکت می کنند .
در انتهای قسمت سردکننده مواد نیمه هادی گرما را جذب می کنند توسط حرکت الکترون ها و از میان مواد حرکت می کنند و قسمت انتهایی گرم کننده از آن خارج می شود تا زمانی که قسمت انتهایی گرم کننده مواد بطور فیزیکی به مخزن گرما متصل شده است گرما از مواد به طرف مخزن می رود و سپس در عوض به محیط انتقال داده می شود .
قائده کلی فیزیکی به روی دستگاههای خنک کننده سرماساز ترموالکتریک جدید نزدیک به سال 1800 بر می گردد .
اگرچه نمونه های TE تجاری تا سال 1960 در دسترس نبوده اند اولین کشف مهم مربوط به ترموالکتریسیتی در سال 1821 رخ داد .
زمانی که یک دانشمند آلمانی به نام توماس سیبک پی برد که جریان الکتریکی در مدار جریان دارد که از دو فلز مختلف درست شده است که نقطه اتصال فلزات در دو دمای گوناگون
می باشد .
سیبک واقعاً متوجه نشد هرچند که مقدمات علم برای کشفش کافی نبود و اشتباه فرض می کرد که جریان گرما همانند جریان الکتریکی اثر مشابه دارد .
در سال 1834 یک ساعت ساز فرانسوی و یک فیزیک دان به نام جین پولتیر بعد از بررسی اثر تحقیقات سیبک پی بردند که برعکس این اتفاق رخ می دهد وقتی که انرژی گرمایی در نقطه اتصال دو فلز گوناگون جذب شده و در نقطه برخورد دیگر زمانی که جریان الکتریکی در میان محدوده بسته ای جریان دارد ، تخلیه می شود .
20 سال پیش ویلیام تامسون توضیحی برای درک بهتر سیبک و پولتیر و روابطشان داد .
هرچند حالا این اتفاق تنها در آزمایشگاه از روی کنجکاوی صورت می گیرد و بدون اینکه کاربرد عملی داشته باشد .
در سال 1930 که یک داشمند روسی مطالعاتش را درباره برخی از کاربردهای ترموالکتریک شروع کرده بود و تلاش کرد نیرویی در ژنراتورها ایجاد کند که در محل هایی خارج از زمین مورد استفاده قرار گیرند .
سرانجام این دانشمند روسی به نمونه های عملی ترموالکتریک توسعه یافته پی برد .
امروزه دستگاههای خنک کننده ترموالکتریک در تکنولوژی مدرن فلزات و نیمه هادی ها و در کل مواد نیمه های جایگزین فلزات گوناگون شد و در آزمایشات ترموالکتریک مورد استفاده قرار می گیرند .
«سیبک» ، «پولتیر» و «تامسون» با چندین وقایع ، شکل ابتدایی عملکرد نمونه های ترموالکتریک را ارائه کردند بدون اینکه به جزئیات اشاره شود .
برخی از این اثرات بنیادی
ترموالکتریک را بیان می کنیم .
اثر سیبک :
اثر سیبک را با یک مثال روشن شروع کرده و در آن نگاهی به محدوده یک ترموکوپل ساده می اندازیم .
ترموکوپل رسانا دارای دو فلز مختلف است که به صورت مواد x و مواد y مشخص شده اند .
در اندازه گیری دا ترموکوپل A به عنوان یک مرجع که دمای TC راسرد نگه می دارد بکار رفته است و ترموکوپل B برای اندازه گیری دما Th که در این نمونه بالاتر از دمای Tc است بکار رفته است و ولتاژ از میان ترمینال های T1 و T2 مشخص خواهد شد که این ولتاژ (VO) به صورت emf «سیبک» به این صورت است
ترموکوپل رسانا دارای دو فلز مختلف است که به صورت مواد x و مواد y مشخص شده اند .
در اندازه گیری دا ترموکوپل A به عنوان یک مرجع که دمای TC راسرد نگه می دارد بکار رفته است و ترموکوپل B برای اندازه گیری دما Th که در این نمونه بالاتر از دمای Tc است بکار رفته است و ولتاژ از میان ترمینال های T1 و T2 مشخص خواهد شد که این ولتاژ (VO) به صورت emf «سیبک» به این صورت است : در جایی که Vo بازده ولتاژ در ولت است عامل مشترک میان دو مواد x و y در ولت k است و Th و Tc دماهای سرد و گرم ترموکوپل در هستند .
اثر «پلتیر» : اگر ترموکوپل را تغییر اگر ولتاژ (Vin)بکار رفته در ترمینال های T1 و T2 باشد جریان الکتریکی در مدار ، جریان خواهد یافت .و در نتیجه جریان موجود در مدار مقدار ناچیزی سردسازی می کند .
(QC) در نقطه برخورد ترموکوپل A نقطه ای است که گرما را جذب و در نتیجه گرم کردن (Qh) در نقطه برخورد B و در جایی که گرما بیرون می رود رخ خواهد داد .
به خاطر داشته باشید که این اثر در حالت معکوس در نتیجه تغییراتی در جریان الکتریکی ایجاد می شود .
نتیجه پلتیر از طریق فرمول ریاضی چنین است : در جایی که Pxy دیفرانسیل میان دو مواد x و y در ولت I که جریان الکتریکی در آمپرهای Qc وQh جریان دارد ، میزان خنک سازی و گرماسازی به ترتیب وات است و مقدار R×I (=R مقاومت الکتریکی است) در رسانا رخ می دهد .
در نتیجه جریان یافتن جریان الکتریکی این اثر در تضاد با نتیجه پولتیر است و بدین دلایل میزان خنک سازی کاهش می یابد .
اثرتامسون : وقتی جریان الکتریکی از رسانا می گذرد که دما افت حرارتی بیشتر از طولش داشته باشد و گرما از طریق رسانا جذب یا خارج شود و در اینجا این سوال پیش می آید که آیا گرمای جذب شده یا به بیرون انتقال داده شده بستگی به جریان الکتریکی و دمایی که افت حرارت در آن ایجاد شده است یا خیر ؟
این اتفاق توسط تامسون صورت گرفت که اصول کلی را در بر می گیرد اما نقش چندان مهمی در عملکرد نمونه های عملی ترموکوپل ندارد به این دلیل به رسمیت شناخته نشده است .
اصول کلی نمونه های ترموالکتریک مواد : مواد ترموالکتریکی : اغلب مواد نیمه رسانای ترموالکتریک در دستگاههای خنک کننده TE امروزی آلیاژ بیسموت تلورید که به طور مناسب بخش های تک یا عناصری که خصوصیات جدا N و P را دارد بکار برده می شوند .
اغلب مواد ترموالکتریک با متبلور کردن فلز یا فشار به پودر فلزکاری تشکیل شده اند .
هر روش ساخت دارای مزایای خاص خودش است اما زمانی که تحت هدایت هستند این مواد رشد می کنند و به رشدی بیش از حد معمول می رسند .
علاوه بر ، مواد ترموالکتریکی دیگری موجود است مانند ، سیلیکون ، ژرمانیوم و (Bi-Sb ) آلیاژهایی که شاید در موقعیت های خاص بکار برده شده باشند .
حداکثر در میان دمای محدود بسیار مناسب و بیشتر از عملکردهای خنک سازی است .
مواد : متبلور کردن مواد دارای چندین ویژگی است که مزایای آن در اینجا بحث خواهد شد که ناشی از ساختار بلوری کردن به مقدار خیلی زیاد است که در طبیعت سرد می شوند .
این نتایج در مواد الکتریکی سبب ایجاد مقاومت ویژه ای که تقریباً بزرگتر از محور رشد بلور (C-axis) است به نسبت حالت عمودی است .
علاوه بر این قابلیت رسانایی گرما حدوداً 2 برابر بزرگتر از محور C در جهت عمودی است از زمانی که مقاومت این حالت بیشتر از قابلیت رسانایی گرما است بیشترین کار در این حالت رخ می دهد به این دلیل عناصر ترموالکتریک در نمونه خنک سازی جمع می شوند ، بنابراین محور رشد بلور موازی طول یا بلندی هر ماده است .
بنابراین محور عمودی لایه سفال می باشد .
یکی دیگر از ویژگی های جالب این است که مربوط به ساختار بلوری مواد می شود .
بلورهای در لایه هایی که اتم مشابه دارد ، درست می شود .
و زمانی که لایه های با هم نگه داشته می شوند توسط قیدهم ظرفیت که مربوط به نزدیک بودن لایه ها است .
در نتیجه با متبلور کردن این لایه ها را جدا می کنند .
که رفتاری بسیار شبیه به ورقه های میکاست .
خوشبختانه ورقه ورقه کردن صفحات بطور کلی موازی به محور C است و مواد کاملاً محکم هستند .
زمانی که در نمونه خنک سازی ترموالکتریک به هم متصل می شود .
مواد توسط متبلورکردن فلز تولید می شوند و به نوعی در قالب ساخته می شوند یا شکل می گیرند و سپس به ورقه هایی با ضخامت های گوناگون تقسیم می شوند .
بعد از اینکه منابع به طور درست آماده شد آنگاه به قطعات کوچکتقسیم می شود که شاید نمونه هایی از خنکسازی ترموالکتریک باشند .
بخش هایی از مواد که معمولاً به آن عناصر یا قطعات کوچک بریده شده نیز می گویند .
همچنین با فشردن پودر فلزکاری ساخته می شود .
نمونه های خنک سازی ترموالکتریک : دستگاه خنک سازی ترموالکتریک دارای دو یا چند مواد نیمه رسانا که به طور الکتریکی به مجموعه ها و از نظر حرارتی با هم برابرند مربوط می شود .
این عناصر ترموالکتریک و اتصالات داخلشان به نوعی میان دو ظرف سفالی است که این لایه ها سبب می شود که ساختار سرتاسری با هم از نظر مکانیکی نگه داشته شوند و اجزاء هر یک را به طور الکتریکی و از سطوح خارجی جدا شده ، از هم جدا می کنند .
بعد از اینکه بخش ها و اجزاء گوناگون نمونه درست شد ، نمونه های دیگری از ترموالکتریک تقریباً ( تا اینچ ) اندازه شان و ( تا اینچ) بلند ساخته می شوند .
هر دو نمونه N وP مواد ترموالکتریک در دستگاه خنک سازی ترموالکتریک بکار برده می شوند .
این قرارگیری سبب می شود گرما از دستگاه خنک کننده حرکت کند و زمانی که جریان الکتریکی بر می گردد و متناوباً میان لایه های بالا و پایین از میان عناصر N و P قرار می گیرد .
از مواد نوع N الکترون های زیادی عبور می کنند (بیشتر الکترون ها در ساختار مولکولی موجودند ) بطوریکه در مواد نوع N الکترون های کمتری عبور می کند (الکترون های کمتری در ساختار مشبک موجود است ) بیشتر الکترون ها در مواد N و حفره ها هستند که در نتیجه آن الکترون های کمتری در مواد P وجود دارد که انرژی گرمایی از میان مواد ترموالکتریک عبور می دهند .
دستگاه خنک کننده ترموالکتریک با گرما حرکت می کند و در نتیجه جریان الکتریکی را بیشتر از نمونه های خنک سازی ترموالکتریک ساخته شده با تعدادی از عوامل نوع P و N در جایی که N و P شکل گرفته اند جفت می کند که دارای دو جفت P و N است و به اصطلاح به آن مدل به هم پیوسته نیز می گویند .
تغییرات پی در پی گرما (گرمایی که فعالانه پمپ می شود از میان نمونه ترموالکتریک) به نسبت بزرگی در جریان الکتریکی DC بکار می روند .
گوناگونی بازده از صفر به بیشترین حد می رسد و ممکن است باعث تعدیل آن شود که میزان جریان گرما و دما را کنترل می کند .
عملکرد در هر گرایشی : TE ها در هر جهتی و در هر محیطی که جاذبه زمین صفر است بکار برده می شوند بنابراین در بسیاری از فضاهای ماوراء جو مورد استفاده قرار می گیرند .
راه درست تهیه کردن نیرو : مدل TE بطور مستقیم از منبع نیروی DC کار می کند و این نمونه ها دارای ولتاژ زیاد و جریاناتی هستند که این نوسان وسیع جریان (PWM) در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می گیرند .
محل خنک سازی : بادستگاه خنک کننده TE ممکن است بتوان یک منطقه یا ترکیب خاص را خنک کرد در نتیجه آن اغلب لازم به خنک کردن ، بسته بندی یا محدوده بندی نیست .
قابلیت تولید نیروی الکتریکی : در عمل بصورت معکوس بکار برده می شود با بکار بردن دمای گوناگون برای دستگاه خنک کننده TE ممکن است که مقدار کمی نیروی DC تولید کند .
شرایط مساعد از لحاظ محیطی : سیستم های خنک سازی به طور قراردادی ساخته نمی شوند و بدون استفاده از کلروفلوروکاربن یا مواد شیمیایی دیگر که برای محیط زیست مضر است و در دیگر شیوه های ترموالکتریک بکار برده نمی شود یا ممکن است یک نوع گاز دیگر تولید شود .