مقدمة: في عام 1834، اكتشف Jean Peltier أن مرور تيار من خلال تقاطع مكون من مادتين مختلفتين قد تسبب في تغير في درجة الحرارة، أطلق عليه اسم “peltier effect”، وقد أوضح إميل لينز لاحقا أنه عند تمرير تيار عبر تقاطع من البزموث والأنتيمون ، يمكن تجميد الماء واذابتها مرة أخرى إذا تم عكس التيار.
تعريف: الـ Peltier هي جهاز يقوم تحول الطاقة الكهربية الى طاقة حرارية. يتكون الجهاز من وجهين – جانب ساخن وجانب بارد. تعمل الوحدة كمضخة حرارية حيث تقوم بنقل الحرارة من الجانب البارد إلى الجانب الساخن لذلك يتطلب الجهاز تركيب مكون إضافي لإزالة الحرارة باستمرار من الجانب الساخن حتى تعمل الوحدة بشكل صحيح.
كلما زادت كفاءة إزالة هذه الحرارة من الجانب الساخن، كلما كان الجانب البارد أكثر برودة. تساعد TECs على تحسين قدرة التبريد من خلال إنشاء فرق في درجة الحرارة لتنتقل الحرارة الأعلى الى الجانب الساخن. يمكن لأنظمة تبريد المياه فقط تبريد الجسم اذا كانت درجة حرارته قريبة من درجة حرارة الغرفة، ولكن يمكن زيادة التبريد بتمرير الماء بمعدل تدفق كاف.
يتم إنشاء فرق في درجة الحرارة عندما يتم تمرير الجهد على طرفي البلتيير. ومع اختلاف درجة الحرارة تنتقل من طرف إلى آخر ليبرد أحد الجوانب. يمتص الجانب الساخن الحرارة من البيئة ويتم حملها عن طريق النقل الإلكتروني. بعدها تنبعث الحرارة من الجانب الساخن بتغير طاقة الإلكترونات من أعلى قيمة لها.
كيف تعمل البلتير
جميع شرائح Peltiers قد تبدو متشابهة في الشكل، ولكنها لا تعمل بنفس الطريقة. يحتوي البلتر على صفوف من أشباه الموصلات الصغيرة الملحومة معًا ومثبتة بين لوحين من السيراميك الأبيض القادر على نقل الحرارة. وتتشابه فيما بينها في أسلوب تسخيرها للطاقة، فالحرارة تنتقل من أحد الجوانب للآخر ليصبح باردًا. وعند عكس القطبية يصبح السطح الساخن بارد والعكس صحيح.
تتصرف وحدة البلتيير إلى حد كبير كجهاز مقاومة بسيط بالنسبة للبطارية. فعندما تضاعف الجهد المدخل يتضاعف استهلاك التيار. ولكن ليس بالضرورة ان تحصل على قدرة مضاعفة، فكلما زاد الجهد ازدادت درجة حرارة البلتيير وبالتالي تزيد المقاومة. ولأسباب مماثلة، مع زيادة الجهد والتيار لا يزيد انتقال الحرارة من الجانب البارد الي الساخن بسرعة. بمعنى آخر تنخفض كفاءة شريحة بلتيير مع ارتفاع الطاقة المعطاة.
كما نعلم من القانون الثاني للديناميكا الحرارية أن الحرارة تنتقل إلى المنطقة الأكثر برودة. وبشكل أساسي تمتص الوحدة الحرارة من “الجانب البارد” وتخرجها الى “الجانب الساخن”. يتم امتصاص هذه الحرارة وتحريكها بواسطة محلول تبريد. ويجب أن يكون سائل التبريد قادرًا على تبديد الحرارة من الجانب الساخن للشريحة.
تتناسب الحرارة المتولدة على السطح الساخن مع التيار (amperes x volts) ولان التيار يسري في كلا الاتجاهين، فإن إجمالي الحرارة التي تطلقها الوحدة تساوي الجهد مضروبا في التيار بالإضافة إلى الحرارة التي يتم ضخها عبر الجانب البارد.
تبلغ درجة الحرارة القصوى بين الجانب الساخن والجانب البارد لـ TEC حوالي 70 درجة مئوية. وعند عمل الشريحة على درجة حرارة أعلى من 80 ° ستعمل الحرارة على انهيار الشرائح الداخلية بسرعة؛ و إذا كانت اعلى من 85 ° فإنها ستتلف في غضون بضعة أيام.
مواصفات بلتيير
تحدد كفاءة شريحة البلتيير من قبل الشركة المصنعة بأربعة عوامل: Qmax و Vmax و Imax و Tmax.
Qmax هو اقصى حمل حراري يمكن أن تنقله الشريحة من الجانب البارد إلى الجانب الساخن، على افتراض أنها تعمل بكفاءة 100 ٪.
Vmax هو الجهد الأكثر كفاءة
Imax هو التيار الأكثر كفاءة
Tmax هو فرق درجة الحرارة بين الجانب الساخن والجانب البارد. وتعمل عندها الشريحة بأكبر كفاءة
يتم استخدام تأثير بلتيير في المولدات الحرارية صغيرة الحجم، ولكنها عادة ما تكون أكثر تكلفة وأقل كفاءة.
المنتجات الاستهلاكية: تستخدم شرائح بلتيير بشكل شائع في المنتجات الاستهلاكية، مثل المبردات المحمولة وفي أجزاء من الدوائر الإلكترونية للتبريد.
يمكن للمبرد الكهربائي من تقليل درجة الحرارة إلى 20 درجة مئوية. وبالتالي يمكن صنع مكيفات للاستخدام الشخصي في الملابس. او حتى للاستغناء عن الواح التبريد في المعالجات الدقيقة.
يمكن استخدام تأثير Peltier لعمل ثلاجة مصغرة بدون أي سوائل أو أجزاء متحركة. هذه الثلاجات مفيدة في بعض التطبيقات حيث تفوق مزاياها على عيوب كفاءتها المنخفضة للغاية.
يمكن استخدامها لتبريد مكونات الكمبيوتر للحفاظ على درجة حرارة التشغيل في حدود المسموح بها للحصول على أداء مستقر.
يتم استخدام تأثير بلتيير في القمر الصناعي والمركبة الفضائية لمقاومة أشعة الشمس المباشرة، فبينما احد الجانبين يواجه الشمس يواجه الاخر الظل البارد حتى تتبدد الحرارة بالإشعاع الحراري في الفضاء.
في تطبيقات الألياف الضوئية، حيث يعتمد الطول الموجي لليزر بدرجة كبيرة على درجة الحرارة، فيتم استخدام مبردات بلتيير مع الثرمستور للحصول على درجة حرارة ثابتة وبالتالي تثبيت طول الموجة للجهاز.
غالبًا ما يتم تبريد أجهزة الكشف عن الفوتون مثل CCD في التلسكوبات الفلكية أو الطيف أو الكاميرات الرقمية المتطورة باستخدام تأثير Peltier.
اترك تعليق