Thermoelectric Cooler Peltier

 แผ่น Peltier หรือ แผ่นร้อนเย็น กันครับ แผ่น Peltier เป็นอุปกรณ์อีก หนึ่งรูปแบบของการทำความเย็นที่ถูกนำมาใช้ในการทำความเย็น ในลักษณะการใช้งานแบบที่คล้ายกับระบบทำความเย็นที่ใช้คอมเพรสเซอร์ คือการแลกเปลี่ยนอุณหภูมิ ซึ่งการทำความเย็นในรูปแบบนี้ไม่ต้องใช้คอมเพรสเซอร์ หรือกลไกขับเคลื่อนใดๆ และไม่ต้องใช้สารทำความเย็นหรือตัวกลางอื่น ๆ ในระบบเหมือนเช่นที่เคยทำกัน เพราะเป็นการทำความเย็นที่ได้จากการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านสารกึ่งตัวนำ

หลักการดังกล่าวมีชื่อว่า เทอร์โมอิเล็กทริค คูลเลอร์ Peltier TEC (Thermoelectric Cooler Peltier) ซึ่งเป็นแผ่น Peltier สามารถที่จะสร้างความเย็นได้ที่ด้านหนึ่ง และปล่อยความร้อนออกมาที่อีกด้านหนึ่ง (การดึงความร้อนจากด้านนึงไปยังอีกด้านหนึ่ง ) เพียงแค่จ่ายไฟฟ้ากระแสตรงเข้าไปในระบบเท่านั้น

ประวัติความเป็นมา

เมื่อปี ค.ศ. 1834 นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส 2 คน ที่มีชื่อว่า เฟรนช์ วัตช์เมคเกอร์ (French Watchmaker) และ ยีน ชาร์เลส เอธาเนสซี่ เพลเทียร์ (Jean CharAthanase Peltier) ได้ค้นพบปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เพลเทียร์เอฟเฟ็กต์ (Peltier effect)

โดย ทั้งสองได้ค้นพบว่า เมื่อได้ทำการจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงให้กับสารกึ่งตัวนำ แล้วพบว่าที่ผิวทั้งสองด้านของสารกึ่งตัวนำชนิดแรก เกิดความร้อนขึ้นที่ผิว และที่ผิวทั้งสองด้านของสารกึ่งตัวนำอีกชนิดก็เกิดความเย็นขึ้นที่ผิว  โดยเกิดขึ้นสอดคล้องกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า

และ ในทางกลับกัน ถ้าหากมีการให้ความร้อนที่ผิวด้านหนึ่งและความเย็นอีกด้านนึง ก็จะส่งผลทำให้เกิดปฏิกิริยาที่ตรงกันข้ามขึ้นได้เกิดเป็นแรงดันไฟฟ้าขึ้นมา เรียกว่า ซีเบ็คโวลต์เตจ (Sec Beck Voltage)

โครงสร้างเบื้องต้นของแผ่น Peltier ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น  (N-Type) และชนิดพี (P-Type) 

แผ่นเพลเทียร์ (Peltier) แบบบิสมัธเทลลูไรด์ ถูกสร้างขึ้นมาจากธาตุ 2 ชนิด ได้แก่ บิสมัส (Bismuth: Bi) ซึ่งเป็นธาตุที่มีเลขอะตอม 83 และอีกตัวหนึ่งคือ เทลลูเรียม (Tellurium : Te) ซึ่งเป็นธาตุที่มีเลขอะตอม 52

หลักการทำงานของแผ่นเพลเทียร์

หลักการทำงานของแผ่นทำความเย็น Peltier นั้น เป็นหลักการที่มีชื่อว่า เทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric) หลักการทำความเย็นแบบนี้เกิดขึ้นได้ โดยการใช้สารกึ่งตัวนำแบบ พี-เอ็น (P-N Type)

ซึ่ง สารกึ่งตัวนำแบบพี-เอ็น คือส่วนประกอบหลักของแผ่นทำความเย็น Peltier  โดยการทำความเย็นจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อ มีการจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current : DC) หรือ ไฟดีซี ให้กับแผ่นทำความเย็น Peltier เพราะเมื่อกระแสไฟฟ้าเดินทางผ่านวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นสารกึงตัวนำแล้วก็ จะเกิดการทำปฏิกิริยาขึ้น 

สาร กึงตัวนำ แบบพี-เอ็น ซึ่งต่างชนิดกัน เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ก็จะมีการดูดกลืนกันของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนจากระดับพลังงานต่ำทางด้านสาร กึ่งตัวนำแบบพี ไปสู่ระดับพลังงานที่สูงกว่าทางด้านสารกึ่งตัวนำแบบเอ็น กระบวนการดังกล่าวจะส่งผลให้ที่ผิวด้านหนึ่งของแผ่น Peltier มีการดูดพลังงาน ความร้อน ซึ่งก็ได้จากความร้อนที่อยู่โดยรอบนั่นเอง เมื่อความร้อนในบริเวณรอบๆถูกดูดเข้ามา ก็จะทำให้ในบริเวณนั้นมีอุณหภูมิต่ำลงหรือเย็นลง  ซึ่งด้านนี้ก็คือด้านทำความเย็นนั่นเอง แล้วเอาความเย็นมาใช้งาน

และ ในขณะเดียวกัน ก็จะเกิดการดูดกลืนของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานที่สูง ในสารกึ่งตัวนำแบบเอ็น  สู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ในสารกึ่งตัวนำแบบพี ส่งผลให้เกิดการคายความร้อนออกมาที่บริเวณผิวหน้าของอีกด้านหนึ่ง ของแผ่น Peltier

จาก หลักการทำงานข้างต้น ทำให้สามารถนำแผ่น Peltier มาประยุกต์ใช้กับงานได้หลากหลาย แต่ที่นิยมที่สุดคงหนีไม่พ้น การใช้คุณสมบัติในด้านการทำความเย็นมาประยุกต์ใช้งาน เพื่อเป็นทางเลือกสำหรับการทำความเย็น  แบบไม่ต้องพึ่งพาระบบทำความเย็นที่ใช้คอมเพรสเซอร์

รูปแบบที่ถูกนำมาใช้งาน

สำหรับแผ่นทำ ความเย็น Peltier การใช้งานโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อการทำความเย็น ในบ้านเราก็มีการนำไปใช้งานในหลายรูปแบบ ยกตัวอย่างเช่น การใช้เพื่อทำความเย็นให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเฉพาะจุด รวมไปถึงการให้ความเย็นของตู้เย็นขนาดเล็ก ซึ่งในบ้านเราตอนนี้ก็ได้มีผู้ผลิตบางราย นำแผ่นทำความเย็น Peltier มา ใช้งานกับตู้เย็นขนาดเล็กๆสำหรับทำความเย็นให้แก่เครื่องดื่ม  ซึ่งเป็นการนำมาใช้งานทดแทนคอมเพรสเซอร์ แต่ในตอนนี้ ประสิทธิภาพการทำความเย็นของแผ่นทำความเย็น Peltier  ก็ยังเป็นรองระบบทำความเย็นที่ใช้คอมเพรสเซอร์อยู่หลายเท่า ตู้เย็นที่ใช้แผ่นทำ ความเย็น Peltier จึงเหมาะกับการใช้งานในบางประเภทเท่านั้น เช่นการใช้เก็บรักษายาหรือเวชภัณฑ์ทางการแพทย์

ในตอนนี้ ถ้าเทียบระหว่างแผ่นทำความเย็น Peltier กับระบบทำความเย็นที่ใช้คอมเพรสเซอร์ ก็ถือว่าแผ่นทำความเย็น Peltier ยังคงมีประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าอยู่หลายเท่า ต่อให้นำแผ่นทำความเย็น Peltier หลายๆอันมาใช้ร่วมกัน แม้ค่าการทำความเย็นจะมีขนาดเท่าคอมเพรสเซอร์ แต่ก็ยังทำความเย็นได้ไม่ดีเท่าคอมเพรสเซอร์ รวมถึงอัตราการใช้พลังงานยังคงใช้พลังงานมากเมื่อเทียบกับความเย็นที่ได้ออกมาซึ่งน้อยกว่ามาก