Thermoelectric เทคโนโลยีการทำความเย็นแห่งอนาคต : ตอนที่ 2
วิธีการที่จะช่วยลดการใช้งานของคอมเพรสเซอร์ในระยะยาวได้นั้นจึงจำเป็นจะต้องค้นคว้าหาเทคโนโลยีใหม่ ๆ มาแทนที่คอมเพรสเซอร์ เทคโนโลยีที่พอจะเห็นภาพว่ามันสามารถทำงานได้ใกล้เคียงกับการทำความเย็นของคอมเพรสเซอร์ก็คือ เทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กตริกหรือเพลเทียร์ นั่นเอง จากการดูคุณสมบัติเฉพาะตัวของเพลเทียร์เองแล้วจะเห็นว่าเพลเทียร์สามารถให้กำเนิดความเย็นได้เสมือนกับคอมเพรสเซอร์แต่ก็ยังคงมีข้อจำกัดในเรื่องต่าง ๆ อยู่อีกหลายประเด็น การทำงานจะดีและมีประสิทธิภาพมากน้อยเพียงใดก็ขึ้นอยู่กับการเลือกใช้งานของตามแต่ละประเภทของงานความเหมาะสมของวัสดุอุปกรณ์ที่นำมาสร้างชิ้นงาน เป็นต้น
เอกสารเกี่ยวกับตัวเทอร์โมอิเล็กตริกเที่พยายามศึกษาค้นคว้ามานั้นค่อนข้างมีน้อยมาก บทความต่อไปนี้จึงจะเป็นบทความที่รวบรวมมาจากหนังสือหลาย ๆ เล่ม และ เวปไซต์หลาย ๆ เวปไซต์ และสื่ออื่น ๆ ก็ต้องขอขอบพระคุณเอาไว้ ณ ที่นี้ด้วยครับ
ประวัติความเป็นมา คุณสมบัติเบื้องต้น ข้อดี ข้อเสีย รูปแบบโครงสร้าง และการนำไปใช้งานมีดังนี้
***************************************************************
เทอร์โมอิเล็กตริกหรือเรียกกันอีกชื่อหนึ่งว่าเพลเทียร์ ( Peltier ) เป็นอุปกรณ์ทางเลือกหนึ่งสำหรับทำความเย็น หลักการทำงานของเพลเทียร์ คือ เมื่อป้อนไฟฟ้ากระแสตรงให้กับเพลเทียร์ที่สารกึ่งตัวนำแบบ พี-เอ็น (P-N type) กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวัสดุที่ทำจากสารกึ่งตัวนำต่างชนิดกัน ทำให้เกิดการดูดกลืนของของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากพลังงานระดับต่ำในสารกึ่งตัวนำแบบพี สู่พลังงานระดับสูงในสารกึ่งตัวนำแบบเอ็น ส่งผลให้เกิดการดูดกลืนความร้อนที่ด้านเย็น (Heat absorbed at cold side ) และในขณะเดียวกันก็เกิดการดูดกลืนของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากพลังงานระดับสูงในสารกึ่งตัวนำแบบเอ็น สู่พลังงานระดับต่ำในสารกึ่งตัวนำแบบพี ส่งผลให้เกิดการคายความร้อนที่ด้านร้อนขึ้น
ประวัติความเป็นมาของการค้นพบปฏิกิริยา Peltier ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เพลเทียร์เอฟเฟ็กต์ (Peltiereffect) ได้ถูกค้นพบมากกว่า 176 ปีแล้ว โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศษ 2 คนที่ชื่อ เฟรนช์ วัตช์เมคเกอร์ (French Watchmaker) และยีน ชาร์เลส เอธาเนสซี่ เพลเทียร์ (Jean Char Athanase Peltier) เมื่อปี ค.ศ. 1834 พบว่า เมื่อจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงให้กับสารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำสองด้านจะกลายเป็นผิวร้อน (hot surface) และผิวเย็น (clod surface) ขึ้นกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ปรากฎการณ์นี้เรียกว่า ปรากฎการณ์เพลเทียร์ (Peltiereffect) ในทางกลับกัน ถ้าถ่ายเทความร้อนให้กับผิวด้านหนึ่งจะเกิดแรงดันไฟฟ้าที่เรียกว่า ซีเบ็คโวลต์เตจ (Sec beck Voltage) สารกึ่งตัวนำดังกล่าวเรียกว่า P-n junction โดยที่การผลิต
กระแสไฟฟ้าจะต่อแบบอนุกรม การทำความเย็นจะต่อแบบขนานเป็นแบบแซนวิช ระหว่างแผ่นฉนวนเซรามิกมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อาศัยหลักการของปรากฏการณ์เพลเทียร์ซึ่งจัดเป็นปั้มความร้อน (Heat Pump) เรียกว่าเทอร์โมอิเล็กตริก เพลเทียร์มีชีวิตอยู่ในช่วงปี ค.ศ.1785-1845 ความสำเร็จจากการค้นพบปรากฏการณ์เพลเทียร์เอการทดลองของโรมัส โจแอน ซีแบ็ค (Thomas Johann Secbeck) ซึ่งเขาได้แสดงผลการทดลองค้นคว้าของเขาที่เรียกว่า ซี่เบ็ค เอฟเฟ็กต์ (Secbeck Effect)
หลักการของซีเบ็ค เป็นหลักการทางไฟฟ้า โดยซี่เบ็ค นำเอาสายไฟ 3 ชิ้น ที่ทำมาจากโลหะที่ต่างกัน 2 ชนิด มาต่อเป็นวงจรโดยการทดลองเป็นไปตามรูปที่ 1 เมื่อนำเอาลวดต่างชนิด(ชนิด B) มาต่อเข้าระหว่างลวดชนิดเดียวกัน(ชนิด A) ทำให้เกิดจังชั่นระหว่างลวดทั้งคู่ จังชั่นที่ว่านี้ คืนจังชั่น A และจังชั่น B เมื่อเริ่มให้ความร้อนกับจังชั่นด้านหนึ่ง และพบว่ามีกระแสไฟฟ้า เล็ก ๆ ไหลได้เมื่อต่อครบวงจร ซึ่งในที่นี้ใช้การแสดงผลของมิเตอร์วัดกระแสเป็นค่าหน่วยไมโครแอมป์ต่อเป็นโหลดในวงจร
โครงสร้างและหลักการทำงานของเพลเทียร์ (Peltier) โครงสร้างเบื้องต้นของอุปกรณ์เพลเทียร์ ประกอบด้วยสารชนิดเอ็น (N-type)และ(P-type) ของบิสมัธ เทลลูไรด์ (สร้างมาจากสารผสมบิสมัส (Bi) กับเทลลูเรียม (Te) วางลงบนฐานรองเซรามิก) ที่สร้างเป็นรูปลูกเต๋าเล็ก ๆ จำนวนมาก แล้วนำเอาแผ่นเซรามิกมาประกบไว้ทั้งสองด้าน
ในขณะที่สารพีและเอ็นซึ่งทำเป็นเนื้ออัลลอยส์ ระหว่างบิสมัธ (Bismuth) และเทลูเรี่ยม (Tellurium) ทั้งสองมีความต่างในความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระที่อุณหภูมิเท่ากัน
ลูกเต๋าชนิดพี เป็นโลหะที่มีอิเล็กตรอนไม่พอเพียง (Deficiency of electrons) ในขณะที่ลูกเต๋าชนิดเอ็น เป็นโลหะที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นมากจนเหลือเฟือ (Excess of electrons)
เมื่อกระแสไหลผ่านตัวโมดูล มันจะพยายามสร้างดุลภาพ (Attempts to establish) ขึ้นในมวลภายในกระแสที่กระทำกับสารชนิดพี ทำให้จังชั่นเกิดความร้อนขึ้น ต้องการทำให้เกิดความเย็น และสารชนิดเอ็นเกิดความร้อนขึ้น ต้องการทำให้เกิดความร้อน ทั้งนี้เพื่อดำรงดุลภาพตัวเองไว้ให้ได้ เมื่ออุปกรณ์นี้ทำงานในระดับอุณหภูมิเดียวกัน ทำให้ด้านที่เกิดความร้อนเพิ่มขึ้น และด้านที่เกิดความเย็น มีความเย็นมากขึ้น
โดยทั่วไป เพลเทียร์ทำงานด้วยกระแส 4-10 แอมป์ ที่แรงดันไฟ 12 โวลต์ แต่ในการผลิตเพื่องานอุตสาหกรรม ผลิตเพลเทียร์ให้ทำงานด้วยกระแส 100 แอมป์ หรือมากกว่านี้
***********************************
