موضوع مقاله: خنک‌کننده ترموالکتریک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # خنک‌کننده ترموالکتریک | مقدمه: یک خنک‌کننده پلتیر، بخاری، یا پمپ حرارتی ترموالکتریک یک پمپ حرارتی فعال حالت جامد است که گرما را با مصرف انرژی الکتریکی، بسته به جهت جریان از یک طرف دستگاه به طرف دیگر انتقال می‌دهد. | ## بخش 1: خنک‌کننده ترموالکتریک | چنین ابزاری همچنین دستگاه پلیتر، پمپ گرما پلتیر، یخچال حالت جامد یا کولرهای حرارتی (TEC) نامیده می‌شود. مزایای اصلی یک خنک‌کننده پلتیر درمقایسه با یک یخچال بخار فشرده، عدم حرکت قطعات آن یا مایع در گردش، عمر بسیار طولانی، آسیب‌ناپذیری به نشت، اندازه کوچک، و شکل انعطاف‌پذیرآن است. بسیاری از محققان و شرکت‌ها در حال تلاش برای توسعه خنک‌کننده‌های پلتیر ارزان و کارآمد هستند. هنگامی که به عنوان یک خنک‌کننده عمل می‌کند، یک ولتاژ در سراسر دستگاه اعمال می‌شود، و به عنوان یک نتیجه، یک تفاوتی در درجه حرارت بین دو طرف ایجاد خواهد شد.. با این حال، با توجه به طراحی متفاوت و بسته‌بندی مورد نیاز، یک خنک‌کننده پلتیر که به خوبی طراحی شده، یک ژنراتور حرارتی متوسط و بالعکس خواهد بود. اصول عملکرد خنک‌کننده‌های ترموالکتریک توسط اثر پلتیر عمل می‌کنند (که همچنین با نام کلی تر اثر حرارتی نوشته می‌شود). این دستگاه دارای دو طرف است، و هنگامی که یک جریان الکتریکی DC از طریق دستگاه جریان می‌یابد، حرارت را از یک طرف به طرف دیگر می‌برد به طوری که یک طرف سردتر می‌شود در حالی که طرف دیگر گرم تر می‌شود. سمت گرم به یک چاهک حرارت متصل است به طوری که در دمای محیط باقی می‌ماند، در حالی که طرف سرد به دمای زیر دمای اتاق می‌رود. در برخی از برنامه‌های کاربردی تعداد متعددی خنک‌کننده برای دماهای پایین‌تر می‌توانند باهم به صورت آبشاری شوند. ساختمان دو نیمه هادی منحصر به فرد، یکی از نوع n و یکی از نوع p، استفاده می‌شود زیرا آن‌ها نیاز به تراکم الکترون متفاوتی دارند. نیمه هادی‌ها به صورت حرارتی به موازات یکدیگر و به صورت الکتریکی سری قرار داده شده‌اند و سپس در هر طرف با یک صفحه هدایت‌کننده حرارتی متصل می‌شوند. هنگامی که یک ولتاژ به دو سر آزاد نیمه هادی‌ها اعمال می‌شود، یک جریان DC از وسط محل اتصال نیمه هادی‌ها به وجود می‌آید که باعث ایجاد اختلاف دما می‌شود. | ## بخش 2: خنک‌کننده ترموالکتریک | طرف با صفحه خنک‌کننده گرما را جذب می‌کند که سپس به طرف دیگر دستگاه که چاهک حرارتی وجود دارد، انتقال می‌یابد. خنک‌کننده‌های ترموالکتریک (مختصر شده آن، TECها) معمولاً در کنار هم متصل شده و بین دو بشقاب سرامیکی قرار می‌گیرند. بعضی از فواید استفاده از TECها عبارتند از: بدون قطعات متحرک، بنابراین نگهداری کمتری مورد نیاز است. بدون کلروفلوئوروکربن (CFC) کنترل دما در کسری از یک درجه می‌تواند حفظ شود شکل انعطاف‌پذیر (فاکتور فرم)؛ به‌طور خاص، آن‌ها می‌توانند اندازه بسیار کوچکی داشته باشند می‌تواند در محیط استفاده شود که کوچکتر هستند یا خیلی خشک‌تر از تبرید قراردادی عمر طولانی، با میانگین زمان بین خرابی (MTBF) بیش از ۱۰۰٫۰۰۰ ساعت کنترل از طریق تغییر ولتاژ ورودی / جاری برخی از معایب [۴] استفاده از یک TEC عبارتند از: فقط یک مقدار محدود از شار حرارتی قادر به پراکنده شدن است. طبقه‌بندی شده به کاربردهایی با شار حرارتی کم ناکارامد از نظر ضریب عملکرد، به عنوان سیستم‌های بخار فشرده عملکرد یک TEC تک مرحله به‌طور معمولاً حداکثر اختلاف دمای ۷۰ درجه را بین قسمت گرم و سرد ایجاد خواهد کرد."The Heatsink Guide" هرچه گرمای بیشتری که با استفاده از TEC انتقال می‌یابد بهره‌وری کمتری به وجود می‌آورد، زیرا TEC نیاز به پراکنده کردن گرمایی که انتقال می‌یابد و هم گرمایی که خودش با استفاده از مصرف برق ایجاد می‌کند، دارد. در کاربردهای خنک‌کننده، اتصالات حرارتی حدود ۴/۱ بهره‌وری در مقایسه با وسایل معمولی را دارند (در مقایسه با ۴۰–۶۰٪ بدست آمده ازسیستم گردش تراکم معمولی (سیستم‌های معکوس رانکین از فشرده سازی/انبساط استفاده می‌کنند)، آن‌ها در حدود ۱۰–۱۵٪ بهره‌وری چرخه ایده‌آل کارنو را ارائه می‌دهند)Brown, D.R. Dirks; با توجه به این بهره‌وری پایین‌تر، خنک‌کننده ترموالکتریک به‌طور معمول فقط در محیط‌هایی استفاده می‌شود که طبیعت حالت جامد (بدون قطعات متحرک، تعمیر و نگهداری کم، اندازه جمع و جور، و عدم حساسیت جهت‌گیری) مهم‌تر از بهره‌وری خالص است. عملکرد خنک‌کننده (ترموالکتریک) پلیتر تابعی از درجه حرارت محیط، عملکرد مبدل حرارتی (چاه حرارتی) سمت سرد و گرم، بار حرارتی، هندسه واحد پلیتر (گرماسنج)، و پارامترهای الکتریکی پلتیراست."PCB Heaven - Peltier Elements Explained" الزامات برای مواد ترموالکتریک: نیمه هادی‌های باریک گاف به خاطر عملکرد دمای اتاق عناصر سنگین به دلیل تحرک بالا و هدایت حرارتی کم سلول واحد بزرگ، ساختار پیچیده بسیار ناهمسانگرد یا بسیار متقارن ساخته‌های پیچیده مواد ترموالکتریک مشترک به عنوان نیمه هادی استفاده می‌شود شامل بیسموت تلورید، سرب تلورید، ژرمانیوم و سیلیسیوم و آلیاژهای بیسموت آنتیموان است. مواد جدید با عملکرد بالا برای خنک‌کننده ترموالکتریک به صورت فعال در حال تحقیق‌اند. موارد استفاده خنک‌کننده‌های ترموالکتریک در برنامه‌های کاربردی که نیاز به حذف حرارت زائد از یک میلی وات تا چند هزار وات دارد استفاده می‌شود. آن‌ها می‌توانند برای برنامه‌های کاربردی کوچک به عنوان یک خنک‌کننده نوشیدنی‌ها یا کاربردهای بزرگ مانند یک زیر دریایی یا ماشین‌های راه‌آهن استفاده بشوند.TECها عمر محدودی دارند. به عنوان مثال، عناصر پلتیر در کمپینگ، کولرهای قابل حمل، خنک‌کننده قطعات الکترونیکی و ابزار کوچک استفاده می‌شود. | ## بخش 3: خنک‌کننده ترموالکتریک | اثر خنک‌کننده پمپ حرارتی پلیتر همچنین می‌تواند برای استخراج آب از هوا در دستگاه رطوبت گیر استفاده شود. یک خنک‌کننده الکتریکی کمپینگ/ماشین به‌طور معمول می‌تواند دما را تا ۲۰ درجه سانتی گراد (۳۶ درجه فارنهایت) زیر دمای محیط کاهش دهد. آن‌ها یک جزء مشترک در سیکلرهای حرارتی هستند، که مورد استفاده برای سنتز DNA توسط واکنش زنجیره‌ای پلیمر (PCR)، یک تکنیک بیولوژیکی مولکولی مشترک که نیازمند گرم شدن سریع و خنک شدن مخلوط واکنش برای دناتوراسیون چاشنی بازپخت و چرخه‌های سنتز آنزیمی هستنتد. با مداربازخورد، عناصر پلتیر می‌توانند برای پیاده‌سازی کنترل درجه حرارت بسیار پایدار استفاده شوند که درجه حرارت مورد نظر را در درون ± ۰٫۰۱ °C نگه می‌دارند. چنین ثباتی ممکن است در برنامه‌های کاربردی دقیق لیزری برای جلوگیری از جمع شدن طول موج لیزرهمچنانکه دمای محیط تغییر می‌کند، استفاده شود. این اثر برای کاهش تغییرات دما در ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی ناشی از تابش مستقیم نور خورشید در یک طرف سفینه، توسط اتلاف گرما بر طرف سایه سرد که به عنوان تابش حرارتی به فضا از بین می‌رود، استفاده می‌شود.. دستگاه‌ها می‌توانند هنگامیکه با فروپاشی مواد رادیواکتیو با انرژی بالاسوخت رسانی می‌شوند، چندین دهه دوام داشته باشند. آشکارسازهای فوتون مانند CCDها در تلسکوپ، طیف، یا دوربین‌های دیجیتال بسیار بالا اغلب توسط عناصر پلیتر خنک کاری می‌شوند. یک نقطه تاریک زمانی پدید می‌آید که یک پیکسل یک الکترون ناشی از نوسانات حرارتی و نه از فوتون را ثبت می‌کند. در عکس‌های دیجیتال گرفته شده در نور کم، این‌ها به عوان لکه پدیدار می‌شوند (یا اختلال پیکسل). خنک‌کننده‌های ترموالکتریک می‌توانند برای خنک کردن قطعات کامپیوتری برای نگه داشتن دما در محدودهٔ دمای طراحی، یا حفظ عملکرد پایدار هنگام اورکلاکینگ استفاده شوند. در کاربردهای فیبر نوری که طول موج لیزر یا یک جزء به شدت وابسته به درجه حرارت است، خنک‌کننده‌های پلیتر همراه با یک مقاومت گرمایی در یک حلقه بازخورد برای حفظ یک درجه حرارت ثابت و در نتیجه ایجاد ثبات در طول موج دستگاه، استفاده می‌شوند. | ## جمع‌بندی | برخی از تجهیزات الکترونیکی برای استفاده‌های نظامی در زمینه خنک کاری ترموالکتریکی در نظر گرفته شده‌است.