ปั๊มความร้อนเทอร์โมอิเล็กทริก

ปั๊มความร้อนเทอร์โมอิเล็กทริกใช้ปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็ก ทริก โดยเฉพาะปรากฏการณ์เพลเทียร์เพื่อให้ความร้อนหรือความเย็นแก่วัสดุโดยการใช้กระแสไฟฟ้าผ่านวัสดุนั้น เครื่องทำความเย็นเพลเทียร์ เครื่องทำความร้อน หรือ ปั๊มความร้อนเท อร์โมอิเล็ก ท ริก เป็นปั๊มความร้อน แบบแอคทีฟโซลิดสเตท ที่ถ่ายเทความร้อนจากด้านหนึ่งของอุปกรณ์ไปยังอีกด้านหนึ่ง โดยใช้พลังงานไฟฟ้าขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกอีกอย่างว่าอุปกรณ์เพลเทียร์ปั๊มความร้อนเพลเทียร์ตู้เย็นโซลิดสเตทหรือเครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริก ( TEC ) และบางครั้งก็เรียกว่าแบตเตอรี่เทอร์โมอิเล็กท ริก สามารถใช้ได้ทั้งสำหรับการทำความร้อนหรือการทำความเย็น^{[ 1 ]}แม้ว่าในทางปฏิบัติการใช้งานหลักคือการทำความเย็น เนื่องจากความร้อนสามารถทำได้ด้วยอุปกรณ์ที่ง่ายกว่า (ด้วยความร้อนจูล )

การควบคุมอุณหภูมิด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกจะทำให้วัสดุร้อนหรือเย็นลงโดยการใช้กระแสไฟฟ้าผ่านวัสดุเหล่านั้น^{[ 2 ]}เซลล์ Peltier ทั่วไปจะดูดซับความร้อนด้านหนึ่งและผลิตความร้อนอีกด้านหนึ่ง^{[ 2 ]}ด้วยเหตุนี้ เซลล์ Peltier จึงสามารถใช้สำหรับการควบคุมอุณหภูมิได้^{[ 2 ]}อย่างไรก็ตาม การใช้ผลกระทบนี้สำหรับการปรับอากาศในวงกว้าง (สำหรับบ้านหรืออาคารพาณิชย์) นั้นหายากเนื่องจากประสิทธิภาพต่ำและต้นทุนสูงเมื่อเทียบกับตัวเลือกอื่นๆ^{[ 2 ]}

การทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก

เทคโนโลยีนี้ถูกนำมาใช้ในการทำความเย็นน้อยกว่าการทำความเย็นแบบอัดไอ มาก ข้อดีหลักของเครื่องทำความเย็นแบบเพลเทียร์เมื่อเทียบกับตู้เย็นแบบอัดไอคือ ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่หรือของเหลวไหลเวียน อายุการใช้งานยาวนานมาก ป้องกันการรั่วไหล ขนาดเล็ก และรูปทรงที่ยืดหยุ่นได้ ข้อเสียหลักคือ ต้นทุนสูงเมื่อเทียบกับความสามารถในการทำความเย็นที่เท่ากัน และประสิทธิภาพการใช้พลังงานต่ำ ( ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพหรือ COP ต่ำ) นักวิจัยและบริษัทหลายแห่งกำลังพยายามพัฒนาเครื่องทำความเย็นแบบเพลเทียร์ที่มีราคาถูกและมีประสิทธิภาพ

หลักการทำงาน

แผนภาพแสดงส่วนประกอบของเพลเทียร์ ขาเทอร์โมอิเล็กทริกต่อขนานกันทางความร้อนและต่ออนุกรมกันทางไฟฟ้า

วิดีโอจากกล้องถ่ายภาพความร้อนของชิ้นส่วนเพลเทียร์

เครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกทำงานโดยใช้ผลของเพลเทียร์ (หนึ่งในสามปรากฏการณ์ที่ประกอบกันเป็นผลเทอร์โมอิเล็กทริก) ^{[ 3 ]}โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกประกอบด้วยส่วนประกอบสามส่วน ได้แก่ ตัวนำ ขา และพื้นผิว โมดูลเหล่านี้จำนวนมากเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าแบบอนุกรม แต่เชื่อมต่อกันทางความร้อนแบบขนาน^{[ 3 ]}เมื่อ กระแสไฟฟ้า กระแสตรงไหลผ่านอุปกรณ์ จะทำให้ความร้อนถ่ายเทจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง ทำให้ด้านหนึ่งเย็นลงในขณะที่อีกด้านหนึ่งร้อนขึ้น

ด้านร้อนจะต่อกับแผ่นระบายความร้อนเพื่อจำกัดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ในขณะที่ด้านเย็นจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อม ในการใช้งานพิเศษ อาจมีการต่อพ่วงหรือจัดเรียงตัวทำความเย็นหลายตัวเข้าด้วยกันเพื่อลดอุณหภูมิ แต่ประสิทธิภาพโดยรวม (COP) จะลดลงอย่างมาก ค่า COP สูงสุดของวงจรทำความเย็นใดๆ นั้นถูกจำกัดด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านร้อนและด้านเย็น ยิ่งความแตกต่างของอุณหภูมิสูงเท่าใด ค่า COP สูงสุดตามทฤษฎีก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น อุณหภูมิทั้งสองขึ้นอยู่กับอัตราการถ่ายเทความร้อนเข้าหรือออกจากอุปกรณ์ รวมถึงการเคลื่อนที่ของความร้อนที่เกิดขึ้นภายในด้วย

ปั๊มความร้อนแบบ Peltier ทั่วไปสามารถใช้งานได้โดยการเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกกับแผงโซลาร์เซลล์ระบายความร้อนด้วยอากาศ^{[ 4 ]} เมื่อพิจารณาระบบที่มีโรงงานอากาศซึ่งรับประกันความเป็นไปได้ในการทำความร้อนด้านหนึ่งและการทำความเย็นอีกด้านหนึ่ง^{[ 5 ]}การเปลี่ยนการกำหนดค่าทำให้สามารถปรับให้เข้ากับทั้งฤดูหนาวและฤดูร้อนได้^{[ 6 ]}คาดว่าองค์ประกอบเหล่านี้จะเป็นองค์ประกอบที่มีประสิทธิภาพสำหรับอาคารพลังงานศูนย์หากเชื่อมต่อกับพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์และโซลาร์เซลล์^{[ 7 ]}โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสร้างปั๊มความร้อนแบบแผ่รังสีบนผนังของอาคาร^{[ 8 ]}

วิธีการปรับสภาพนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพสูงสุดในการทำความเย็นในช่วงฤดูร้อน หากใช้ร่วมกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) นอกจากนี้ยังสามารถใช้การหมุนเวียนอากาศเพื่อระบายความร้อนให้กับแผงโซลาร์เซลล์ได้อีกด้วย

ข้อกำหนดทางวิศวกรรมที่สำคัญที่สุดคือการออกแบบฮีทซิงค์ที่แม่นยำ^{[ 9 ]}เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนและลดการสูญเสียพลศาสตร์ของไหลให้น้อยที่สุด

การก่อสร้าง

ออกแบบ

มีการใช้ สารกึ่งตัวนำสองชนิดที่มีลักษณะเฉพาะ คือชนิด nและชนิด pเนื่องจากจำเป็นต้องมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกัน เสาของสารกึ่งตัวนำชนิด p และ n ที่วางสลับกันจะถูกวางขนานกันทางความร้อนและต่ออนุกรมกันทางไฟฟ้า จากนั้นจึงเชื่อมต่อกันด้วยแผ่นนำความร้อนที่ด้านข้างแต่ละด้าน ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นเซรามิก ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ฉนวนแยกต่างหาก เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยังปลายอิสระของสารกึ่งตัวนำทั้งสอง จะมีกระแสไฟฟ้าตรงไหลผ่านจุดเชื่อมต่อของสารกึ่งตัวนำ ทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิ ด้านที่มีแผ่นระบายความร้อนจะดูดซับความร้อน จากนั้นความร้อนจะถูกส่งผ่านสารกึ่งตัวนำไปยังอีกด้านหนึ่งของอุปกรณ์

ความสามารถในการระบายความร้อนของหน่วยโดยรวมนั้นแปรผันตรงกับพื้นที่หน้าตัดรวมของเสาทั้งหมด ซึ่งมักจะต่ออนุกรมกันทางไฟฟ้าเพื่อลดกระแสไฟฟ้าที่ต้องการให้อยู่ในระดับที่ใช้งานได้จริง ความยาวของเสาเป็นจุดสมดุลระหว่างเสาที่ยาวกว่า ซึ่งจะมีค่าความต้านทานความร้อนระหว่างด้านมากกว่าและทำให้สามารถลดอุณหภูมิลงได้ แต่จะทำให้เกิดความร้อนจากการต้านทานมากขึ้น และเสาที่สั้นกว่า ซึ่งจะมีประสิทธิภาพทางไฟฟ้ามากกว่า แต่จะปล่อยให้ความร้อนรั่วไหลจากด้านร้อนไปยังด้านเย็นมากขึ้นโดยการนำความร้อน สำหรับความแตกต่างของอุณหภูมิมาก เสาที่ยาวกว่าจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าการวางซ้อนโมดูลแยกกันที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากโมดูลจะมีขนาดใหญ่ขึ้นในแต่ละชั้น เพราะแต่ละชั้นจะต้องกำจัดทั้งความร้อนที่เคลื่อนย้ายโดยชั้นด้านบนและความร้อนส่วนเกินของชั้นนั้น

วัสดุ

ข้อกำหนดสำหรับวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก: ^{[ 11 ]}

สารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานแคบ เนื่องจากสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง
การนำไฟฟ้าสูง (เพื่อลดความต้านทานไฟฟ้าซึ่งเป็นแหล่งที่มาของความร้อนเหลือทิ้ง)
การนำความร้อนต่ำ(เพื่อป้องกันไม่ให้ความร้อนไหลย้อนกลับจากด้านร้อนไปยังด้านเย็น) ซึ่งโดยทั่วไปหมายถึงธาตุที่มีน้ำหนักมาก
หน่วยเซลล์ขนาดใหญ่ โครงสร้างซับซ้อน
มีความไม่สมมาตรสูงหรือมีความสมมาตรสูงมาก
องค์ประกอบที่ซับซ้อน

วัสดุที่เหมาะสมสำหรับระบบ TEC ประสิทธิภาพสูงต้องมีคุณสมบัติทั้งการนำความร้อนต่ำและการนำไฟฟ้าสูง โดยทั่วไปแล้ว ผลรวมของวัสดุต่างๆ จะถูกเปรียบเทียบโดยใช้ค่าประสิทธิภาพที่เรียกว่าZTซึ่งเป็นตัววัดประสิทธิภาพของระบบ สมการสำหรับ ZT แสดงไว้ด้านล่าง โดยที่ $\alpha$ คือค่าสัมประสิทธิ์ซีเบค (Seebeck coefficient ) $\sigma$ คือค่าการนำไฟฟ้าและ $\kappa$ คือค่าการนำความร้อน^{[ 12 ]}

$\mathbb {Z} \mathrm {T} =(\alpha ^{2}\sigma \mathrm {T} )/\kappa$

มีวัสดุเพียงไม่กี่ชนิดที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน TEC เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างการนำความร้อนและการนำไฟฟ้ามักจะเป็นความสัมพันธ์เชิงบวก การปรับปรุงการลดการถ่ายเทความร้อนด้วยการเพิ่มการนำไฟฟ้าเป็นหัวข้อการวิจัยด้านวัสดุศาสตร์ที่กำลังได้รับความสนใจ วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก ทั่วไป ที่ใช้เป็นสารกึ่งตัวนำ ได้แก่บิสมัทเทลลูไรด์ตะกั่วเทลลูไรด์ซิลิคอน-เจอร์มาเนียมและโลหะ ผสม บิสมัทแอนติโมไนด์ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ บิสมัทเทลลูไรด์เป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุด วัสดุประสิทธิภาพสูงชนิดใหม่สำหรับการทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกกำลังได้รับการวิจัยอย่างจริงจัง^{[ 13 ]}

เป็นเวลานานหลายทศวรรษแล้วที่สารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานแคบ เช่นบิสมัทเทลลูเรียมและสารประกอบ ของ สารเหล่านี้ ถูกนำมาใช้เป็นวัสดุสำหรับเทอร์โมคัปเปิล

การระบุและลักษณะเฉพาะ

เครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกส่วนใหญ่มีรหัสพิมพ์อยู่ด้านที่ทำความเย็น^{[ 14 ]}รหัสสากลเหล่านี้ระบุขนาด จำนวนขั้น จำนวนคู่ และพิกัดกระแสเป็นแอมป์ ดังที่เห็นในแผนภาพด้านข้าง^{[ 15 ]}

ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนเทอร์โมอิเล็กทริกทั่วไป TEC1-12706 มีรูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัส ขนาด 40 มม. และสูง 3-4 มม. หาซื้อได้ในราคาไม่กี่ดอลลาร์ สามารถถ่ายเทความร้อนได้ประมาณ 60 วัตต์ หรือสร้าง ความแตกต่างของอุณหภูมิได้ 60 องศาเซลเซียส ด้วยกระแสไฟฟ้า 6 แอมป์ ความต้านทานไฟฟ้า ของมัน อยู่ที่ประมาณ 1-2 โอห์ม

จุดแข็งและจุดอ่อน

มีหลายปัจจัยที่กระตุ้นให้เกิดการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับ TEC รวมถึงการปล่อยก๊าซคาร์บอนที่ลดลงและความง่ายในการผลิต อย่างไรก็ตาม ก็มีอุปสรรคหลายประการเกิดขึ้นเช่นกัน

ประโยชน์

ข้อดีที่สำคัญของระบบ TEC คือไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้ การที่ไม่มีการสึกหรอทางกลและลดโอกาสการล้มเหลวเนื่องจากความล้าและการแตกหักจากการสั่นสะเทือนและความเครียดทางกล ช่วยเพิ่มอายุการใช้งานของระบบและลดความต้องการในการบำรุงรักษา เทคโนโลยีในปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าเวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลว (MTBF) เกิน 100,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิแวดล้อม^{[ 16 ]}สภาพของเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถวัดได้จากการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานกระแสสลับ (ACR) เมื่อสึกหรอ ACR จะเพิ่มขึ้น^{[ 17 ]}

ข้อเท็จจริงที่ว่าระบบ TEC ควบคุมด้วยกระแสไฟฟ้าทำให้เกิดประโยชน์อีกหลายประการ เนื่องจากกระแสความร้อนเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้ จึงสามารถเพิ่มหรือลดความร้อนได้ด้วยการควบคุมทิศทางและปริมาณของกระแสไฟฟ้าอย่างแม่นยำ ในทางตรงกันข้ามกับวิธีการที่ใช้การทำความร้อนหรือทำความเย็นแบบต้านทานซึ่งเกี่ยวข้องกับก๊าซ TEC ช่วยให้สามารถควบคุมการไหลของความร้อน (ทั้งขาเข้าและขาออกจากระบบที่อยู่ภายใต้การควบคุม) ได้อย่างเท่าเทียมกัน เนื่องจากการควบคุมการไหลของความร้อนแบบสองทิศทางที่แม่นยำนี้ อุณหภูมิของระบบที่ควบคุมจึงมีความแม่นยำถึงเศษส่วนขององศา ซึ่งมักจะมีความแม่นยำถึงระดับมิลลิเคลวิน (mK) ในห้องปฏิบัติการ^{[ 18 ]}

อุปกรณ์ TEC มีรูปทรงที่ยืดหยุ่นกว่าอุปกรณ์แบบดั้งเดิม สามารถใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีพื้นที่จำกัดหรือสภาวะที่รุนแรงกว่าตู้เย็นทั่วไปได้ ความสามารถในการปรับแต่งรูปทรงเรขาคณิตช่วยให้สามารถส่งความเย็นได้อย่างแม่นยำไปยังพื้นที่ขนาดเล็กมาก ปัจจัยเหล่านี้ทำให้เป็นตัวเลือกที่นิยมใช้ในงานวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่มีความต้องการสูง โดยที่ต้นทุนและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน โดยรวม ไม่ใช่สิ่งสำคัญหลัก

ข้อดีอีกประการหนึ่งของ TEC คือไม่ใช้สารทำความเย็นในการทำงาน ก่อนที่จะมีการเลิกใช้ สารทำความเย็นบางชนิดในยุคแรก เช่นคลอโรฟลูออโรคาร์บอน (CFCs) มีส่วนทำให้โอโซนถูกทำลาย อย่างมาก สารทำความเย็นหลายชนิดที่ใช้ในปัจจุบันก็มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมากเช่นกัน โดยมีศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อน^{[ 19 ]}หรือมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยอื่นๆ^{[ 20 ]}

ข้อเสีย

ระบบ TEC มีข้อเสียที่เห็นได้ชัดหลายประการ ประการแรกคือประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่จำกัดเมื่อเทียบกับระบบอัดไอแบบดั้งเดิม และข้อจำกัดทั้งในเรื่องความแตกต่างของอุณหภูมิและปริมาณความร้อน ทั้งหมด (การไหลของความร้อน) ที่สามารถสร้างได้ต่อหน่วยพื้นที่^{[ 18 ]} หัวข้อนี้จะกล่าวถึงเพิ่มเติมในส่วนประสิทธิภาพด้านล่าง ในทางปฏิบัติ อายุการใช้งานเฉลี่ยของโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกราคาประหยัดมักจะน้อยกว่า 10 ปี เนื่องจากก๊าซแพร่กระจายผ่านซีลขอบยางยืดของโมดูล หรือแนวเชื่อมซีลล้มเหลวที่แผ่น

ผลงาน

ประสิทธิภาพของ Peltier (เทอร์โมอิเล็กทริก) ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแวดล้อม ประสิทธิภาพของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ด้านร้อนและด้านเย็น ( ฮีทซิงค์ ) ภาระความร้อน รูปทรงเรขาคณิตของโมดูล Peltier (เทอร์โมไพล์) และพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของ Peltier ^{[ 14 ]}

ปริมาณความร้อนที่สามารถเคลื่อนย้ายได้นั้นแปรผันตรงกับกระแสไฟฟ้าและเวลา

Q=PIt

โดยที่Pคือสัมประสิทธิ์เพลเทียร์, Iคือกระแสไฟฟ้า และtคือเวลา สัมประสิทธิ์เพลเทียร์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและวัสดุที่ใช้ทำตัวระบายความร้อน ค่ากำลังความร้อนประมาณ 10 วัตต์ต่อแอมแปร์เป็นเรื่องปกติ แต่ค่านี้ถูกหักล้างด้วยปรากฏการณ์สองอย่าง:

ตามกฎของโอห์มโมดูลเพลเทียร์จะผลิตความร้อนส่วนเกินออกมาเอง

Q_{waste}=RI^{2}t

โดยที่ R คือค่าความต้านทาน

ความร้อนจะถ่ายเทจากด้านที่ร้อนไปยังด้านที่เย็นกว่าโดยการนำความร้อนภายในโมดูลเอง ซึ่งผลกระทบนี้จะยิ่งรุนแรงขึ้นเมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิเพิ่มขึ้น

ผลที่ได้คือความร้อนที่เคลื่อนย้ายได้อย่างมีประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิเพิ่มขึ้น และโมดูลจะมีประสิทธิภาพน้อยลง ความแตกต่างของอุณหภูมิเกิดขึ้นเมื่อความร้อนเหลือทิ้งและความร้อนที่เคลื่อนกลับเอาชนะความร้อนที่เคลื่อนย้าย และโมดูลจะเริ่มทำให้ ด้านที่เย็น ร้อนขึ้นแทนที่จะทำให้เย็นลงต่อไป โดยทั่วไปแล้วเครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกแบบขั้นตอนเดียวจะสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิสูงสุด 70 °C ระหว่างด้านร้อนและด้านเย็น^{[ 21 ]}

อีกปัญหาหนึ่งเกี่ยวกับประสิทธิภาพการทำงานเป็นผลโดยตรงจากข้อดีอย่างหนึ่งของพวกมัน นั่นคือขนาดที่เล็ก ซึ่งหมายความว่า:

ด้านร้อนและด้านเย็นจะอยู่ใกล้กันมาก (ห่างกันเพียงไม่กี่มิลลิเมตร) ทำให้ความร้อนถ่ายเทกลับไปยังด้านเย็นได้ง่าย และทำให้ยากที่จะป้องกันความร้อนจากทั้งสองด้านไม่ให้สัมผัสกัน
แผ่นระบายความร้อนขนาด 40 มม. × 40 มม. ทั่วไป สามารถสร้างความร้อนได้ 60 วัตต์หรือมากกว่านั้น หรือคิดเป็น 4 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร^หรือมากกว่านั้น จึงจำเป็นต้องใช้แผ่นระบายความร้อนที่มีกำลังสูงเพื่อระบายความร้อนออกไป

ในการใช้งานด้านการทำความเย็น จุดเชื่อมต่อเทอร์โมอิเล็กทริกมีประสิทธิภาพประมาณ 1/4 เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม (การทำความเย็นแบบอัดไอ) โดยมีประสิทธิภาพประมาณ 10–15% (COP 1.0–1.5) ของตู้เย็น แบบวงจรคาร์โนต์ ในอุดมคติ เมื่อเทียบกับ 40–60% ที่ได้จากระบบวงจรการอัดแบบดั้งเดิม (ระบบแรงค์ไคน์แบบย้อนกลับโดยใช้การอัด/การขยายตัว) ^[²²^]เนื่องจากประสิทธิภาพที่ต่ำกว่านี้ การทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกจึงมักใช้เฉพาะในสภาพแวดล้อมที่ลักษณะที่เป็นของแข็ง (ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ ) การบำรุงรักษาต่ำ ขนาดกะทัดรัด และความไม่ไวต่อทิศทาง มีความสำคัญมากกว่าประสิทธิภาพเพียงอย่างเดียว

แม้ว่าประสิทธิภาพจะต่ำกว่าวิธีการแบบดั้งเดิม แต่ก็ถือว่าดีเพียงพอ หากเป็นไปตามเงื่อนไขดังต่อไปนี้:

ความแตกต่างของอุณหภูมิถูกควบคุมให้เหลือน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และ
กระแสไฟฟ้าจะถูกควบคุมให้ต่ำ เนื่องจากอัตราส่วนของความร้อนที่ถ่ายเทต่อความร้อนที่สูญเสียไป (สำหรับอุณหภูมิที่เท่ากันทั้งด้านร้อนและด้านเย็น) จะเป็น ${\frac {Q}{Q_{waste}}}={\frac {P}{RI}}$ .

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระแสไฟฟ้าต่ำหมายถึงปริมาณความร้อนที่เคลื่อนย้ายต่ำด้วย ดังนั้นความร้อนที่ถูกสูบฉีดจึงต่ำเมื่อเทียบกับค่าสูงสุดสำหรับแต่ละอุปกรณ์เพื่อให้ค่า COP สูง

การใช้งาน

เครื่องทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริกใช้ในงานที่ต้องการระบายความร้อนตั้งแต่ระดับมิลลิวัตต์ไปจนถึงหลายพันวัตต์ สามารถผลิตได้สำหรับงานขนาดเล็ก เช่น ตู้แช่เครื่องดื่ม หรือขนาดใหญ่ เช่น เรือดำน้ำหรือตู้รถไฟ

ผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค

องค์ประกอบ Peltier มักใช้ในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค ตัวอย่างเช่น ใช้ใน อุปกรณ์ ตั้งแคมป์ ตู้เย็นพกพา อุปกรณ์ระบายความร้อนอิเล็กทรอนิกส์ ระบบที่นอน และเครื่องมือขนาดเล็ก นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการดึงน้ำออกจากอากาศในเครื่องลดความชื้นได้ อีกด้วย ตู้เย็น ไฟฟ้า แบบตั้งแคมป์/ในรถยนต์ (12 V) สามารถลดอุณหภูมิได้สูงสุดถึง 20 °C (36 °F) ต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อม ซึ่งก็คือ 25 °C หากรถยนต์มีอุณหภูมิสูงถึง 45 °C กลางแดด เสื้อแจ็คเก็ตควบคุมอุณหภูมิเริ่มมีการใช้องค์ประกอบ Peltier แล้ว^[²³^]^[²⁴^]

สามารถใช้ระบบระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก เพื่อ ระบายความร้อนให้กับส่วนประกอบคอมพิวเตอร์เพื่อรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในขอบเขตที่กำหนดไว้ หรือเพื่อรักษาการทำงานที่เสถียรเมื่อทำการโอเวอร์ คล็อก ระบบระบาย ความร้อน Peltier ที่มี ฮีทซิงค์ หรือ บล็อก น้ำสามารถระบายความร้อนให้กับชิปได้ต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อม มาก ^{[ 25 ]} ซีพียู Intel Core บางรุ่นตั้งแต่เจเนอเรชั่นที่ 10 เป็นต้นไปสามารถใช้เทคโนโลยี Intel Cryo ซึ่งใช้การผสมผสานระหว่างการระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของเหลวเพื่อมอบประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่สูงกว่าปกติมากเมื่อเทียบกับการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบมาตรฐานมีการตรวจสอบสภาพแวดล้อมในพื้นที่ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อป้องกันการลัดวงจรจากไอน้ำควบแน่น^{[ 26 ]}

การปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อม

ปั๊มความร้อนเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถใช้ได้ง่ายทั้งสำหรับการปรับสภาพอากาศ เฉพาะที่ เพื่อขจัดสถานการณ์ความไม่สบาย เฉพาะที่ ^{[ 27 ]}ตัวอย่างเช่น เพดานเทอร์โมอิเล็กทริกอยู่ในขั้นตอนการวิจัยขั้นสูงในปัจจุบัน^{[ 28 ]}โดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มสภาพความสบาย ภายในอาคาร ตามที่ Fanger กล่าวไว้^{[ 29 ]}เช่น สถานการณ์ที่อาจเกิดขึ้นเมื่อมีพื้นผิวกระจกขนาดใหญ่ และสำหรับการปรับสภาพอากาศในอาคารขนาดเล็กหากเชื่อมต่อกับระบบพลังงานแสงอาทิตย์^{[ 30 ]}^{[ 31 ]}

ระบบเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อทิศทางของอาคารแบบพาสซีฟที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ แบบใหม่ เนื่องจากมีค่า COP สูงมาก^{[ 32 ]}และประสิทธิภาพสูงที่ตามมาด้วย การเพิ่มประสิทธิภาพเอ็ก เซอร์จีของระบบ อย่างแม่นยำ ^{[ 33 ]}

ในระดับอุตสาหกรรม อุปกรณ์ปรับสภาพอากาศด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกกำลังอยู่ระหว่างการพัฒนา^{[ 34 ]}

ทางอุตสาหกรรม

เครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตหลายสาขา และจำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ประสิทธิภาพอย่างละเอียดถี่ถ้วน เนื่องจากต้องผ่านการทดสอบการทำงานหลายพันรอบก่อนที่จะนำผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมเหล่านี้ออกสู่ตลาด การใช้งานบางส่วนได้แก่ อุปกรณ์เลเซอร์ เครื่องปรับอากาศหรือเครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริก อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และโทรคมนาคมในอุตสาหกรรม^{[ 35 ]}ยานยนต์ ตู้เย็นขนาดเล็กหรือตู้ฟักไข่ ตู้สำหรับใช้ในกองทัพ ตู้สำหรับไอที และอื่นๆ

ใน การใช้งาน ด้านใยแก้วนำแสงซึ่งความยาวคลื่นของเลเซอร์หรือส่วนประกอบขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก จะมีการใช้ตัวระบายความร้อนแบบเพลเทียร์ร่วมกับเทอร์มิสเตอร์ในวงจรป้อนกลับเพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่ และทำให้ความยาวคลื่นของอุปกรณ์มีเสถียรภาพ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางชนิดที่ใช้ในกองทัพภาคสนามนั้นใช้ระบบระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก

วิทยาศาสตร์และการถ่ายภาพ

แผ่นเพลเทียร์ (Peltier element) ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ เป็นส่วนประกอบทั่วไปใน เครื่องควบคุมอุณหภูมิ ( thermal cycler ) ซึ่งใช้สำหรับการสังเคราะห์ดีเอ็นเอโดยปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส ( PCR ) ซึ่งเป็นเทคนิคทางชีววิทยาโมเลกุลที่ใช้กันทั่วไป โดยต้องอาศัยการให้ความร้อนและทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วของส่วนผสมปฏิกิริยาสำหรับวงจรการแยกสายดีเอ็นเอ การจับคู่ไพรเมอร์ และการสังเคราะห์ด้วยเอนไซม์

ด้วยวงจรป้อนกลับ องค์ประกอบเพลเทียร์สามารถนำมาใช้สร้างตัวควบคุมอุณหภูมิที่มีความเสถียรสูง ซึ่งรักษาอุณหภูมิที่ต้องการให้อยู่ภายในช่วง ±0.01 °C ความเสถียรดังกล่าวสามารถนำไปใช้ในงานเลเซอร์ที่ต้องการความแม่นยำสูง เพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นของเลเซอร์เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเปลี่ยนแปลง

ผลกระทบนี้ถูกนำมาใช้ในดาวเทียมและยานอวกาศเพื่อลดความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดจากแสงแดด โดยตรง ที่ด้านหนึ่งของยาน โดยการกระจายความร้อนไปยังด้านที่เย็นและร่มเงา ซึ่งความร้อนจะถูกกระจายออกไปเป็นรังสีความร้อนสู่อวกาศ^{[ 36 ]}ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2504 ยาน อวกาศไร้คนขับบางลำ (รวมถึง ยานสำรวจดาวอังคาร Curiosity ) ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกไอโซโทปรังสี (RTG) ที่แปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยใช้ปรากฏการณ์ Seebeck อุปกรณ์เหล่านี้สามารถใช้งานได้นานหลายทศวรรษ เนื่องจากได้รับเชื้อเพลิงจากการสลายตัวของวัสดุกัมมันตรังสีพลังงานสูง

นอกจากนี้ ยังใช้ชิ้นส่วนเพลเทียร์ในการสร้างห้องเมฆเพื่อแสดงภาพรังสีไอออนไนซ์โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้าไป ก็สามารถลดอุณหภูมิของไอระเหยให้ต่ำกว่า −26 °C ได้ โดยไม่ต้องใช้น้ำแข็งแห้งหรือชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ทำให้ห้องเมฆสร้างและใช้งานได้ง่าย

ตัวตรวจจับโฟตอน เช่นCCDในกล้องโทรทรรศน์ ดาราศาสตร์ สเปกโตรมิเตอร์ หรือ กล้องดิจิทัลระดับไฮเอนด์มักจะระบายความร้อนด้วยองค์ประกอบ Peltier ซึ่งอาจจัดเรียงใน รูปแบบ การทำความเย็นแบบเรียง ลำดับหลายขั้นตอน ^{[ 37 ]} ซึ่งช่วยลดจำนวนการนับมืดเนื่องจากสัญญาณรบกวนทางความร้อนการนับมืดเกิดขึ้นเมื่อพิกเซลบันทึกอิเล็กตรอนที่เกิดจากความผันผวนทางความร้อนแทนที่จะเป็นโฟตอน ในภาพถ่ายดิจิทัลที่ถ่ายในที่แสงน้อย สิ่งเหล่านี้จะปรากฏเป็นจุด (หรือ "สัญญาณรบกวนพิกเซล")

นอกจากนี้ยังใช้ในเครื่องสเปกโทรเมตรแบบกระจายพลังงานเพื่อระบายความร้อนให้กับผลึกเซนเซอร์ ซึ่งช่วยลดความจำเป็นต้องใช้ถังบรรจุไนโตรเจนเหลว ขนาดใหญ่

พารามิเตอร์ทางเทอร์โมไดนามิก

ประสิทธิภาพสามารถกำหนดได้จากความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

$\eta ={\frac {T_{C}-T_{H}}{T_{C}}}$

ที่ไหน $T_{C}$ คืออุณหภูมิของพื้นผิวระบายความร้อนและ $T_{H}$ คืออุณหภูมิของพื้นผิวทำความร้อน

ปรากฏการณ์พลังงานที่สำคัญและเหตุผลในการกำหนดการใช้งานเฉพาะขององค์ประกอบเทอร์โมอิเล็กทริก (รูปที่ 1) เช่น ปั๊มความร้อน อยู่ที่การไหลของพลังงานที่องค์ประกอบเหล่านั้นช่วยให้เกิดขึ้นได้: ^{[ 38 ]}^{[ 39 ]}

พลังงานนำไฟฟ้า ${\dot {Q}}_{L}$ : ${\dot {Q}}_{L}={\frac {L}{d}}S(T_{H}-T_{C})$
การไหลของความร้อนด้านเย็น ${\dot {Q}}_{C}$ : ${\dot {Q}}_{C}=\alpha IT_{C}-{\frac {I^{2}R}{2}}-{\frac {k}{d}}A\Delta T$
การไหลของความร้อนด้านร้อน ${\dot {Q}}_{H}$ : ${\dot {Q}}_{H}=\alpha IT_{C}+{\frac {I^{2}R}{2}}-{\frac {k}{d}}A\Delta T$
พลังงานไฟฟ้า ${\dot {E}__{EL}$ : ${\dot {E}}_{EL}=\alpha IT_{C}+I^{2}R$

ในกรณีที่ใช้คำศัพท์ต่อไปนี้: $\Delta T=T_{H}-T_{C}$ , $I$ กระแสไฟฟ้า ; αคือสัมประสิทธิ์ซีเบค ; R คือ ความต้านทานไฟฟ้า ; Aคือพื้นที่ผิว ; dคือความหนาของเซลล์ และkคือค่าการนำความร้อน .

ประสิทธิภาพของระบบมีดังนี้:

ประสิทธิภาพการระบายความร้อน: $\eta _{C}={\frac {\dot {Q_{C}}}{{\dot {E}__{EL}}}$
ประสิทธิภาพการทำความร้อน: $\eta _{H}={\frac {\dot {Q_{H}}}{{\dot {E}}_{EL}}}$

COP สามารถคำนวณได้ตาม Cannistraro ^{[ 40 ]}

การทดลอง

ประมาณปี 1955 ห้องปฏิบัติการ RCAได้สร้างตู้เย็นและห้องขนาดเล็กที่มีระบบปรับอากาศโดยใช้ผลของ Peltier ^{[ 41 ]}^{[ 42 ]} สิ่งเหล่านี้เป็นการสาธิตการวิจัยและไม่ได้ส่งผลให้เกิดผลิตภัณฑ์ เครื่องปรับอากาศเป็นหนึ่งใน "ของขวัญวันเกิด" ที่ David Sarnoff ซีอีโอขอมาเพื่อท้าทายนักวิจัย หนึ่งในนักวิจัยหลักคือNils E. Lindenblad

ดูเพิ่มเติม

[ 1 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[

[

[

[ 25 ]

[ 26 ]

[ 27 ]

[ 28 ]

[ 29 ]

[ 30 ]

[ 31 ]

[ 32 ]

[ 33 ]

[ 34 ]

[ 35 ]

[ 36 ]

[ 37 ]

[ 38 ]

[ 39 ]

[ 40 ]

[ 41 ]

[ 42 ]