نظام التبريد الكهروحراري (Thermoelectric Refrigeration)

نظام التبريد الكهروحراري (Thermoelectric Refrigeration)

نظام التبريد الكهروحراري (Thermoelectric Refrigeration)

*نظرية التبريد بالازدواج المعدني(الكهرو حراري).
نشأت فكرة التبريد الكهرو حراري من قاعدة فيزيائية معروفة
 منذ عام 1834م وهو ما يعرف بتأثير بلتير (Peltier effect) للازدواج المعدني
. ولكي نوضح المقصود بهذا التأثير , سوف نبدأ بشرح فكرة الازدواج الحراري   
       (Thermocouple).

*نظرية سيبيك (الازدواج الحراري).
تبنى فكرة الازدواج الحراري المعروفة منذ عام 1820 على حدوث
فرق جهد كهربي بين معدنين مختلفين عندما يتلامسان. فإذا تم
وصل معدنين مختلفين معاً بحيث يكونان دائرة مغلقة, واحتفظ
بإحدى نقطتي الاتصال بين المعدنين ( أى إحدى الوصلتين)
عند درجة حرارة أعلى من تلك المعروضة لها نقطة الاتصال الأخرى
( الوصلة الأخرى), فإن تياراً كهربياً سوف يسرى مباشرة في الدائرة
 بفعل فرق الجهد المتولد بين المعدنين المتلامسين . ويطلق على هذه الظاهرة
 تأثير سيبيك.ويتوقف فرق الجهد على الخصائص الكهروحرارية للمعدنين
 وعلى درجة حرارة كل من الوصلتين. وعادة نطلق على الوصلة المعرضة
 لدرجة الحرارة الأعلى « الوصلة الساخنة» ونطلق على الأخرى « الوصلة الباردة» .

ويستفاد من نظرية الازدواج الحراري في قياس درجات الحرارة للأوساط
المختلفة (الجامدة والسائلة والغازية), حيث توضع أحدى وصلتي الازدواج
(الساخنة) في الوسط المراد قياس درجة حرارته وتوضع الأخرى (الباردة)
 في وسط درجة حرارته منخفضة وثابتة (عادة يكون الوسط البارد عبارة عن
حمام ثلج عند درجة حرارة صفر مئوي). يقاس فرق الجهد المتولد في الدائرة
 مناظراً لفرق درجة الحرارة بين الوصلتين . ومن هذا الفرق في الجهد يمكننا
التعرف على درجة حرارة الوسط المراد قياس درجة حرارته وذلك بالرجوع إلى
 منحنى معايرة خاص بالدائرة . وفي التطبيق العملي لاستخدام الازدواج الحراري
 تستخدم معادن خاصة من شأنها إحداث التأثير المطلوب. ومن هذه المعادن, معدن
التانجستون مع معدن الموليبدنام أو معدن النحاس مع معدن الكونستنتان .

*نظرية بلتير(التبريد الكهروحراري)..
إذا عكسنا عمل الازدواج الحراري فإننا نحصل على ما يسمى
بتأثير بلتير(Peltier effect) , أى أننا إذا عرضنا الدائرة لفرق جهد خارجي
, فإن أحدى الوصلتين ترتفع درجة حرارتها بينما تنخفض درجة حرارة الأخرى
. بمعنى آخر فإن الطاقة الكهربية المسلمة للمنظومة قد أدت إلى حدوث
فرق في درجة الحرارة بين الوصلتين وهو عكس تأثير الازدواج الحراري الذى
 هو توليد طاقة كهربية بسبب وجود فرق في درجة الحرارة مفروض على الوصلتين
. وعلى ذلك تكون الدائرة في حالة التبريد الكهروحراري هى نفسها في
حالة الازدواج الحراري ألا أنه في الحالة الأولى يكون فرق الجهد مسلطاً
على الدائرة من الخارج بينما يكون فرق الجهد متولداً من الدائرة في الحالة الثانية.

ويستفاد من تأثير بلتير هذا في بناء منظومة التبريد الكهروحراري حيث
 توضع الوصلة التى تبرد في الحيز المراد تبريده وتوضع الوصلة الأخرى
 (التى تسخن) خارجه هنا تنتقل الحرارة من الوسط المراد تبريده إلى
الوصلة المبردة إلى خارج الحيز إلى الوصلة المسخنة . والمنظومة بهذا
الشكل تضخ الحرارة من وسط بارد إلى وسط ساخن عبر الإلكترونات الكهربية
بدلاً من عبر مركب التبريد في منظومة التبريد الأنضغاطى .

هنا ينقل الازدواج الحرارة عبر الوصلة المبردة من داخل حيز معزول إلى
مبادل حراري (الوصلة المسخنة) خارجه .الإلكترونات (بدلاً من مركبات التبريد)
 هى التى تحمل الحرارة في هذه الحالة إلى خارج حيز المبرد , وتكون الوصلة
المبردة مثابة المبخر في النظام الأنضغاطى , والوصلة المسخنة بمثابة المكثف.

ولكي نزيد من كمية الحرارة المنقولة من الحيز المبرد إلى الوصلة المبردة
ومن الوصلة المسخنة (البالوعة الحرارية) إلى الجو الخارجى فإننا نزود كل
منها بزعانف خاصة لتكبير مساحة السطح الناقل للحرارة .

وحديثاً تم إحلال أشباه الموصلات محل الوصلات مزدوجة المعدن
سالفة الذكر وتصنع أشباه الموصلات من عناصر مثل السليكون
أو الجيرمانيوم أو من توليفة من العناصر. ويتم معالجة أشباه الموصلات
 هذه بحيث يمكن بمعالجة معينة أن يقوم شبه الموصل بتوصيل الكهرباء
 عن طريق سريان جسيمات سالبة الشحنة(شبه موصل طرازN) .
بمعالجة أخرى يقوم شبه الموصل بنقل الكهرباء عن طريق سريان جسيمات
موجبة الشحنة(شبه موصل طرازP) . ويطلق على هذه الجسيمات موجبة
 الشحنة عادة أسم « ثقوب الكترونية » .

وإذا جعلنا التيار الكهربي المستمر يسرى من شبه الموصل طراز N
إلى شبه الموصل طرازP , فإن الوصلة بينهما تبرد وتمتص الحرارة من
الجو المحيط بينما الوصلة على الناحية الأخرى تسخن وتلفظ حرارة إلى
 الجو المحيط , وهذا هو تأثير بلتير السابق الإشارة إليه . ولأن وصلة واحدة
 تعطى تأثيراً تبريدياً صغيراً , فإننا عادة نستخدم عدداً من الوصلات الموصلة
على التوالي على الناحية الباردة لإحداث تأثير تبريدي فعال.

وقد لاحظ لينز (Lenz) في عام 1837م أنه في حالة عكس اتجاه التيار
بحيث يكون من شبه الموصل طراز P إلى شبه الموصل طراز N ,
فإن الوصلة التى كانت باردة في الحالة الأولى تصبح ساخنة وتلك
التى كانت ساخنة تصبح باردة . وبذلك يمكن استخدام نفس النبيطة
الكهروحرارية للتبريد مرة (تأثير بلتير) وللتسخين مرة أخـرى (تأثير لينز Lenz effect) ..