Кіріспе

Электрмен жұмыс істейтін жылу беру. Термоэлектрлік салқындату екі түрлі материалдың қосылысында жылу ағынын жасау үшін Пельтье эффектісін пайдаланады. Пельтье суытқышы, жылытқышы немесе термоэлектрлік жылу сорғысы – ток бағытына байланысты электр энергиясын тұтыну арқылы құрылғының бір жағынан екінші жағына жылуды беруге арналған қатты күйдегі белсенді жылу сорғысы. Мұндай құрылғы Пельтье құрылғысы, Пельтье жылу сорғысы, қатты күйдегі тоңазытқыш немесе термоэлектрлік салқындатқыш (ТЭС) және кейде термоэлектрлік батарея деп те аталады. Оны жылыту немесе салқындату үшін қолдануға болады, бірақ практикада негізгі қолданысы салқындату болып табылады. Сондай-ақ, оны температураны реттегіш ретінде де қолдануға болады, ол жылыту немесе салқындату функциясын орындайды. Бұл технология бумен қысылған салқындатуға қарағанда сирек қолданылады. Пельтье суытқышының бумен қысылған тоңазытқыштарға қарағандағы басты артықшылықтары – қозғалатын бөліктерінің немесе айналымдағы сұйықтықтың болмауы, өте ұзақ қызмет ету мерзімі, ағып кету қаупінің жоқтығы, кішкентай көлемі және икемді пішіні. Оның негізгі кемшіліктері – берілген салқындату сыйымдылығы үшін жоғары құн және төмен қуат тиімділігі (төмен жұмыс коэффициенті немесе COP). Көптеген зерттеушілер мен компаниялар арзан және тиімді Пельтье суытқыштарын жасауға тырысады. (Термоэлектрлік материалдарды қараңыз.) Пельтье суытқышы термоэлектрлік генератор ретінде де қолданылуы мүмкін. Салқындатқыш ретінде жұмыс істегенде, құрылғыға кернеу қолданылады, нәтижесінде екі жақ арасында температураның айырмашылығы пайда болады. Генератор ретінде жұмыс істегенде, құрылғының бір жағы екінші жағына қарағанда жоғары температураға дейін қыздырылады, нәтижесінде екі жақ арасында кернеу айырмашылығы туындайды (Зибек эффектісі). Дегенмен, жақсы жасалған Пельтье суытқышы, әртүрлі конструкциялық және жинақтау талаптарына байланысты, орташа термоэлектрлік генератор болады және керісінше.

Анықтама және сипаттамалары

Термоэлектрлік салқындатқыштардың басым көпшілігі салқындатылатын жағында идентификациялық белгісі (ID) басылған болады. Көп таралған Tec1 12706, 40 мм қабырғалы және 3–4 мм биіктігі бар, бірнеше долларға сатылады және 6 А токпен 60 Вт қуатты жылжытуға немесе 60 °C температура айырмашылығын жасауға қабілетті деп көрсетіледі. Олардың электрлік кедергісі 1–2 Ом шамасында болады.

Мықты және әлсіз жақтары

ТЭК-ті одан әрі зерттеуді ынталандыратын көптеген факторлар бар, оның ішінде көміртегі шығарылымын азайту және өндірудің қарапайымдығы. Дегенмен, бірнеше мәселелер туындады.

Артықшылықтары

ТЭК жүйелерінің маңызды артықшылығы – оларда қозғалмалы бөліктердің жоқтығы. Механикалық тозудың болмауы және механикалық діріл мен кернеуден туындаған шаршау мен сыну салдарынан ақаулардың азаюы жүйенің қызмет ету мерзімін ұзартады және техникалық қызмет көрсету қажеттілігін төмендетеді. Қазіргі технологиялар бойынша орташа уақыт арасындағы істен шығу (MTBF) көрсеткіші, қоршаған температурада 100 000 сағаттан асып түседі. ТЭК жүйелерінің токпен басқарылатыны одан да көп пайда әкеледі. Жылу ағыны қолданылатын тұрақты токқа тікелей пропорционалды болғандықтан, жылуды электр тогының бағыты мен мөлшерін дәл бақылау арқылы қосуға немесе алып тастауға болады. Газдарды пайдаланатын кедергілік қыздыру немесе салқындату әдістерінен өзгеше, ТЭК жылу ағынын бірдей дәрежеде бақылауға мүмкіндік береді (басқарылатын жүйеге кіретін және шығатын). Осы дәл екі жақты жылу ағынын басқарудың арқасында басқарылатын жүйелердің температурасы градустың үлесіне дейін дәлдікке ие болуы мүмкін, ал зертханалық жағдайларда милликельвин (mK) дәлдігіне де жетеді. ТЭК құрылғылары сондай-ақ, дәстүрлі құрылғыларға қарағанда пішін жағынан икемдірек. Оларды кәдімгі тоңазытқыштарға қарағанда аз кеңістік немесе қиын жағдайларда пайдалануға болады. Геометриясын қажеттілікке бейімдеу мүмкіндігі арқасында өте кішкентай аумақтарға дәл салқындатуды жеткізуге болады. Осы факторлар оларды ғылыми және инженерлік қолданыстарда кең таралған таңдауға айналдырады, онда шығын мен абсолютті энергия тиімділігі басты мәселе емес, бірақ жоғары талаптар қойылады. ТЭК-тің тағы бір артықшылығы – оның жұмыс істеу үшін салқындатқыш заттарды пайдаланбауы. Бұрын қолданылған кейбір салқындатқыш заттар, мысалы хлорфторкарбондар (ХФК), оларды тоқтатудан бұрын озон қабатының жойылуына елеулі үлес қосты. Бүгінде қолданылатын көптеген салқындатқыш заттар да қоршаған ортаға елеулі әсер етеді, әлемдік жылынуға себеп болуы мүмкін немесе олармен бірге басқа да қауіпсіздік тәуекелдері бар.

Қолданылуы

Термоэлектрлік салқындатқыштар милливатттан бірнеше мың ваттқа дейінгі жылуды кетіруді қажет ететін қолданыстар үшін қолданылады. Оларды сусын салқындатқыштай кішкентай немесе суасты кемесі немесе пойыз вагоны сияқты үлкен қолданыстарға арнап жасауға болады. ТЭК элементтерінің қызмет ету мерзімі шектеулі. Олардың жарамдылығын олардың айнымалы ток кедергісінің (АЖК) өзгеруі арқылы өлшеуге болады. Салқындатқыш элемент тозған сайын АЖК артады.

Тұтыну өнімдері

Peltier элементтері тұтыну тауарларында кеңінен қолданылады. Мысалы, олар кемпингте, көшбаспадағы салқындатқыштарда, электрондық компоненттерді салқындатуда, матрац төсенішпен ұйықтау жүйелерінде және кішкентай құралдарда қолданылады. Сонымен қатар, ылғалды сызып алу құрылғыларында ауадан су алу үшін де пайдаланылуы мүмкін. Кемпингтік/автомобильдік (12 В) электр салқындатқыш, егер автомобиль күнде 45 °C-қа дейін қызса, ал қоршаған орта температурасы 25 °C болса, температураны қоршаған ортадан 20 °C (36 °F) дейін төмендетуі мүмкін. Климатты бақылайтын күрмелерде Peltier элементтерін қолдану басталып келеді. Термоэлектрлік салқындатқыштар компьютерлік компоненттерді салқындату үшін, температураны жобалық шекте ұстауға немесе процессорды үдетілген режимде тұрақты жұмыс істеуіне қолданылуы мүмкін. Жылуды таратушы немесе су блогы бар Peltier салқындатқышы микросхеманы қоршаған орта температурасынан әлдеқайда төмен салқындата алады. Intel Core процессорларының 10-шы және одан кейінгі буындары Intel Cryo технологиясын қолдануға қабілетті, ол термоэлектрлік салқындату мен сұйық жылу алмастырғыштың үйлесімін пайдаланып, стандартты сұйық салқындатудан гөрі әлдеқайда жоғары салқындату тиімділігін қамтамасыз етеді. Конденсаттан туындаған қысқа тұйықтарды болдырмау үшін жергілікті орта жағдайлары электронды түрде бақыланады.

Өнеркәсіптік

Термоэлектрлік салқындатқыштар өнеркәсіптік өндірістің көптеген салаларында қолданылады және олар осы өнеркәсіптік өнімдерді нарыққа шығару алдында мыңдаған циклдарды сынауға ұшырағандықтан, олардың жұмысқа қабілеттілігін мұқият талдау қажет. Олардың қолданылуына лазерлік жабдықтар, термоэлектрлік кондиционерлер немесе салқындатқыштар, өнеркәсіптік электроника және телекоммуникация, автомобильдер, шағын тоңазытқыштар немесе инкубаторлар, әскери шкафтар, IT корпусшалары және тағы да басқалары жатады. Оптикалық талшық қолданыстарында, лазердің немесе компоненттің толқын ұзындығы температураға өте сезімтал болғандықтан, Peltier салқындатқыштары терморезистормен бірге кері байланыс тізбегінде тұрақты температураны сақтау үшін және осылайша құрылғының толқын ұзындығын тұрақтандыру үшін қолданылады. Әскери мақсатта қолданылатын кейбір электрондық жабдықтар термоэлектрлік салқындатумен жабдықталады.

Ғылым және бейнелеу

Пелтье элементтері ғылыми құрылғыларда қолданылады. Олар термиялық циклердегі негізгі компонент болып табылады, ДНК синтезі үшін полимераза тізбектік реакциясы (ПЦР) арқылы қолданылады – бұл кең таралған молекулалық биологиялық техника, ол реакциялық қоспаны денатурация, праймерлердің байланысуы және ферменттік синтез циклдары үшін жылдам қыздыруды және салқындатуды талап етеді. Кері байланыс тізбегімен Пелтье элементтерін пайдаланып, қажетті температураны ±0,01 °C дәлдікпен сақтайтын жоғары тұрақты температураны реттегіштерді жасауға болады. Мұндай тұрақтылық лазерлік сәуленің толқын ұзындығының қоршаған орта температурасының өзгеруіне байланысты ауытқуын болдырмау үшін дәл лазерлік қолданымдарда қолданылады. Бұл эффект спутниктер мен ғарыш кемелерінде қолданылады, ол бір жағынан тікелей күн сәулесінен туындаған температура айырмашылықтарын азайту үшін, жылуды салқын көлеңкелі жаққа таратып, оны кеңістікке термиялық сәулелену ретінде шығарады. 1961 жылдан бері, кейбір пилотсыз ғарыш кемелері (соның ішінде Curiosity Mars rover) жылу энергиясын Seebeck эффектісі арқылы электр энергиясына айналдыратын радиоизотоптық термоэлектр генераторларын (RTG) пайдаланады. Бұл құрылғылар жоғары энергиялы радиоактивті материалдардың ыдырауы арқасында ондаған жылдар бойы жұмыс істей алады. Пелтье элементтері иондаушы сәулеленуді көруге арналған бұлт камераларын жасау үшін де қолданылады. Олар электр тогын өткізу арқылы буды құрғақ мұзды немесе жылдам қозғалатын бөліктерді қолданбай -26 °C төмен салқындата алады, бұл бұлт камераларын жасауды және пайдалануды жеңілдетеді. Астрономиялық телескоптардағы, спектрометрлердегі немесе жоғары сапалы цифрлық камералардағы CCD сияқты фотон детекторлары көбінесе көп сатылы каскадты салқындату конфигурациясында орналастырылған Пелтье элементтерімен салқындатылады. Бұл термиялық шудың салдарынан пайда болатын «қарлы» суреттерді азайтады. «Қарлы» суреттер пикселдің фотонның әсерінен емес, жылулық құбылыстардан туындаған электронды тіркеген кезде пайда болады. Бұл әсері аз жарық жағдайында түсірілген цифрлық фотосуреттерде ұсақ нүктелер (немесе «пиксель шуы») түрінде көрінеді. Олар энергияны шашырату спектрометрлерінде сенсорлық кристалдарды салқындату үшін қолданылады, үлкен сұйық азотты деварларды қажет етуді жояды.