כיצד זה פועל?
גופי קרור תרמואלקטריים (TECs), הידועים גם כמקררי פלטייה הם משאבות חום במצב מוצק המנצלות את אפקט פלטייה למטרת שינוע חום.
העברת זרם דרך יחידת פלטייה מעבירה חום מצד אחד של היחידה לצידה השני, אשר באופן ממוצע יוצרת הפרש טמפרטורת של כ-40 עד 70 מעלות צלזיוס במכשירי TEC איכותיים אשר מאפשרים העברת חום יעילה ממקום אחד לאחר.
העקרון של קירור תרמואלקטרי נולד עם גילוי אפקט פלטייה בידי ג\'ין צ\'רלס פלטייה (Jean Charles Peltier) בשנת 1834.
כל זרם חשמלי מלווה בזרם חום (חימום ג\'אול – *Joule Heating). מה שפלטייה הבחין בו הוא שכאשר זרם חשמלי עבר דרך צומת של שני מוליכים שונים (צמד תרמי – "thermocouple"), התרחש אפקט חימום שלא ניתן להסבירו בעזרת חימום ג\'אול בלבד.
למעשה, כתלות בכיוון הזרם, האפקט הכללי יכול להיות חימום או קירור כאחד, וניתן לרתום אפקט זה למטרת יצירת גוף חימום או קירור. פלטייה עצמו לא העריך את הפוטנציאל הגלום בתגליתו אשר לא נוצלה כראוי עד סופה של המאה העשרים.
כיצד אפקט פלטייה עובד
כאשר שני מוליכים יוצרים מגע חשמלי, אלקטרונים זורמים החוצה מתוך המוליך בו האלקטרונים קשורים באופן חלש יותר אל המוליך בו האלקטרונים יותר מקובעים.
הסיבה לכך היא ההבדל ברמות האנרגיה (Fermi Level) בין שני המוליכים. רמת האנרגיה מייצגת את תחימת האנרגיה בתוך רצועת ההולכה של מתכת, בין רמות אנרגיה אשר מאוכלסות בידי אלקטרונים ואלו אשר לא מאוכלסות.
כאשר שני מוליכים בעלי רמות אנרגיה שונות יוצרים מגע, אלקטרונים זורמים מן המוליך בעל הרמה הגבוהה יותר עד שההבדל בפוטנציאל האלקטרוסטטי מביא את שתי רמות האנרגיה לאותו ערך (הפוטנציאל האלקטרוסטטי הזה נקרא פוטנציאל המגע (contact potential)).
זרם העובר דרך הצומת יוצר נטייה קדימה או אחורה, המביאה לידי שינוי טמפרטורה הדרגתי של שתי הפלטות. כלומר, בהתאם לקוטביות הזרם נוצר חימום או קירור הדרגתי של שני המוליכים, כאשר האחד מתקרר בעוד השני מתחמם (כלומר, הפיכת הקוטביות תוביל להחלפת הפלטה החמה והקרה).
אם הטמפרטורה של הצומת\הפלטה החמה (Heatsink) נשמרת סבירה על ידי פינוי החום הרב ניתן לקרר את הפלטה הקרה בעשרות מעלות.
מבנה היחידה התרמואלקטרית:
יחידה תרמואלקטרית נבנית משני מוליכים למחצה שונים אחד מסוג P ואחד מסוג N (המוליכים חייבים להיות שונים על מנת שתהיה להם דחיסות אלקטרונים שונה אשר מאפשרת את קיומו של אפקט פלטייה). שני המוליכים למחצה מוצבים באופן מקביל תרמית ומחוברים בקצה אחד על ידי פלטת קירור מוליכה (בדרך כלל מנחושת או אלומיניום).
מתח מופעל על הקצוות הפנויים של המוליכים השונים, דבר המביא לידי זרימה חשמלית רצופה דרך שניהם. מעבר הזרם הישיר דרך צומת של שני מוליכים למחצה יוצר הפרש טמפרטורות.
כתוצאה מהפרש הטמפרטורות, קירור המבוסס על אפקט פלטייה מאפשר ספיחת חום מאזור הפלטה הקרה והעברתו לפלטה החמה בצידה השני של היחידה.
יתרונות הקירור התרמואלקטרי
בעוד שמקררים ומזגנים מנצלים מדחסים ומעבים ונוזלי קירור להורדת הטמפרטורה, קירור במצב מוצק מנצל זרם ישיר, גופי קירור ומוליכים למחצה. ההבדל המהותי הזה נותן לגופי קירור תרמואלקטריים את היתרונות הבאים על פני מדחסים:
* אין חלקים נעים ולכן נדרשת מעט תחזוקה.
* אין צורך בנוזלי קירור מזיקים כמו CFC, לכן ישנם יתרונות סביבתיים ובטיחותיים.
* אינו צורך מקום רב ומשקלו אינו גדול.
* אורך חיים רב, עד כ-100,000 שעות.
* עוצמה ניתנת לשליטה על ידי שינוי מתח\זרם.
* מאפשר קירור מתחת לטמפרטורת הסביבה.
כיצד קירור תרמואלקטרי מפחית את רמת הרעש
בקירור אוויר קונבנציונלי, המעבד נמצא במגע ישיר עם גוף הקירור. במידה ומהירות המאורר יורדת, טמפרטורת גוף הקירור (וגם המעבד) תעלה. בקירור תרמואלקטרי, המעבד מבודד מגוף הקירור ע"י יחידת ה-TEC ולכן גם אם מהירות המאורר תרד וטמפרטורת גוף הקירור תעלה, המעבד עדיין ישאר קר בהרבה. בנוסף, הפלטייה ממשיך להעביר חום מהמעבד לגוף הקירור גם כאשר המאורר פועל במהירות מינימלית ולכן שיטת קירור זו מאפשרת הורדת מהירות המאורר תוך כדי שמירה על קירור יעיל של המעבד.
* חימום ג\'אול (Joule Heating) מתרחש כאשר זרם חשמלי עובר דרך חומר וכתוצאה מכושר התנגדות הסגולית של החומר גורם ליצירת חום.
לינקים מומלצים:
http://en.wikipedia.org/wiki/Peltier_effect – הסבר נוסף בנוגע לאפקט פלטייה.
http://www.nyu.edu/pages/mathmol/textbook/atom.html – רקע בכימיה
http://www.chem4kids.com/files/atom_structure.html – רקע בכימיה
http://www.algor.com/products/analysis_types/thermal/joule_heating.asp – חימום ג\'ואל
http://www.overclockers.com/tips45 – מאמר בנוגע לקירור פלטייה
