این مقاله به بررسی اصول عملکرد، اجزای اصلی و فرآیند انتقال گرما در سیستم های خنک کننده ترموالکتریک با منبع ولتاژ DC می پردازد.
مقدمه
خنک سازی دما برقی ترموالکتریک یکی از روش های نوین و بی صدا در کنترل دمای سیستم های حساس الکترونیکی است. این فناوری مبتنی بر استفاده از نیمه هادی ها در قالب ماژول های ترموالکتریک بوده که بدون نیاز به سیالات خنک کننده متداول عمل می کنند. عملکرد این سیستم ها بر اساس تفاوت دمایی بین دو سر فلز یا نیمه هادی و با بهره گیری از منبع ولتاژ مستقیم (DC) صورت می گیرد. ساختار ساده، طراحی فشرده و نبود قطعات متحرک، از ویژگی های بارز این فناوری به شمار می رود.
در سامانه های ترموالکتریک، یک طرف ماژول در تماس با منبع حرارتی قرار می گیرد و گرما را جذب می کند، در حالی که طرف دیگر آن با دفع گرما به محیط، دمای پایین تری ایجاد می کند. این فرآیند از طریق پدیده ای موسوم به اثر پولتیه تحقق می یابد که در آن حرکت الکترون ها از یک ماده به ماده ای دیگر سبب جابجایی گرما می شود. با تغییر جهت جریان DC، جهت انتقال گرما نیز معکوس شده و امکان گرم کردن نیز فراهم می گردد.
ساختار داخلی یک ماژول ترموالکتریک معمولاً شامل چندین جفت ترموژانکشن از نوع n و p است که به صورت سری الکتریکی و موازی حرارتی به یکدیگر متصل شده اند. این طراحی باعث افزایش کارایی گرمایی شده و می تواند در کاربردهایی نظیر خنک سازی دقیق، تصویربرداری حرارتی، تجهیزات نوری و لیزرهای نیمه رسانا مورد استفاده قرار گیرد. کنترل دمایی با دقت بالا در محیط های حساس، از مهم ترین دلایل توجه به این فناوری است.
عملکرد این دستگاه ها از اصول اولیه ترمودینامیکی پیروی می کند، ولی برخلاف سیستم های تبرید مکانیکی، فاقد کمپرسور و سیالات تحت فشار هستند. در سیستم های تبرید سنتی، مبرد از طریق چرخه هایی شامل تبخیر و تراکم، گرما را جابجا می کند؛ اما در سامانه های ترموالکتریک، الکترون ها نقش حامل انرژی گرمایی را ایفا می کنند و همین تفاوت منجر به کاهش پیچیدگی مکانیکی و صدای عملکرد می شود.
در تاریخچه توسعه فناوری ترموالکتریک، کشف اثر سیبک در سال ۱۸۲۱ آغازگر مسیر تحقیقاتی مهمی بود. در ادامه، پولتیه و تامسون مفاهیم دیگری مانند انتقال گرما توسط جریان الکتریکی و بازگشت پذیری این فرآیند را گسترش دادند. با وجود این که این مفاهیم در ابتدا تنها از جنبه های علمی مورد توجه قرار داشتند، پیشرفت های فناورانه در قرن بیستم امکان کاربردهای عملی آن ها را فراهم ساخت.
در دهه های اخیر، گسترش صنایع الکترونیک، هوافضا و تجهیزات دقیق، توجه بیشتری به استفاده از سیستم های خنک کننده ترموالکتریک معطوف داشته است. این سامانه ها، به دلیل قابلیت تنظیم دقیق دما، طول عمر بالا و عملکرد پایدار، گزینه ای مناسب برای بسیاری از محیط های صنعتی و آزمایشگاهی محسوب می شوند. همچنین در فضاهایی که عدم لرزش و نویز اهمیت دارد، جایگزینی ایده آلی برای سیستم های تبرید سنتی تلقی می شوند.
از منظر مهندسی انرژی، بهره وری در فرآیند خنک سازی ترموالکتریک به عواملی چون اختلاف دمای بین دو سطح، نوع مواد نیمه هادی، طراحی حرارتی و نحوه دفع گرمای سمت گرم وابسته است. توسعه مواد جدید با ضریب عملکرد گرمایی بالاتر و همچنین ارتقای معماری ماژول ها، از محورهای تحقیقاتی جاری برای بهبود کارایی این سیستم ها محسوب می شود. پیش بینی می شود با رشد فناوری مواد، استفاده از این سیستم ها در کاربردهای وسیع تری گسترش یابد.
