แผ่นเพวเทียร์ทำความเย็นได้ด้วยตัวเองโดยไม่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากภายนอก

          แผ่นเพวเทียร์ (Peltier) เป็นอุปกรณ์ทำความเย็นชิ้นเล็กๆ ที่คุณสามารถพกไว้ในกระเป๋าเสื้อหรือกระเป๋ากางเกง ข้อดีของมันคือมันสามารถทำความเย็นได้โดยไม่ส่งเสียงดังรบกวน ซึ่งต่างกับเครื่องปรับอากาศทั่วไปที่ส่งเสียงดังเวลาทำงาน แผ่นเพวเทียร์เป็นที่นิยมชมชอบของเหล่านักประดิษฐ์จากทั่วทุกมุมโลกที่พยายามจะนำเอาเจ้าแผ่นเพวเทียร์นี้ไปสร้างเป็นเครื่องปรับอากาศอย่างง่ายรวมทั้งตู้เย็นอย่างง่าย เมื่อผู้อ่านค้นคำว่า peltier cooler ในเว็บไซต์ youtube ก็จะพบกับคลิปวิดีโอจำนวนมหาศาลที่อธิบายวิธีการประดิษฐ์อุปกรณ์ทำความเย็นเหล่านี้ จากความสามารถทำความเย็นของแผ่นเพวเทียร์นี้เอง นักประดิษฐ์ DIY ชาวไทยหลายท่านจึงนิยมเรียกแผ่นเพวเทียร์นี้ว่า แผ่นทำความเย็น 

ตัวอย่างของแผ่นเพวเทียร์ที่มีขายในท้องตลาดในเมืองไทย

          แผ่นเพวเทียร์จะทำความเย็นได้ก็ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าจากภายนอกเหมือนกันกับเครื่องปรับอากาศทั่วไป กระแสไฟฟ้าจากภายนอกที่ไหลผ่านแผ่นเพวเทียร์จะมีผลทำให้ด้านหนึ่งของแผ่นเพวเทียร์สามารถดูดความร้อน (heat absorbed) เพื่อนำความร้อนไปทิ้ง (heat rejected) ที่ด้านตรงข้ามได้ ผลที่ตามมาคือด้านที่ดูดความร้อนจะมีอุณหภูมิลดลง แต่ด้านที่นำความร้อนไปทิ้งจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นดังแสดงในรูปด้านล่าง ข้อควรระวังในการใช้แผ่นเพวเทียร์เพื่อทำความเย็นคือ จะต้องมีการระบายความร้อนของด้านที่ร้อนอยู่ตลอดเวลาเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการสะสมของพลังงานความร้อนซึ่งอาจจะทำให้แผ่นเพวเทียร์เสียหายได้ ดังนั้นแผ่นเพวเทียร์จึงต้องมี heat sink หรือตัวระบายความร้อนเป็นอุปกรณ์เสริมที่ขาดไม่ได้เสมอ   
 

การทำความเย็นของแผ่นเพวเทียร์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากภายนอก ^[1]

          วัสดุที่อยู่เบื้องหลังการทำความเย็นของแผ่นเพวเทียร์คือ วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก (thermoelectric material) ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด N (มีอิเล็กตรอนประจุลบเป็นพาหะนำไฟฟ้า) และชนิด P (มีโฮลประจุบวกเป็นพาหะนำไฟฟ้า) ต่อเข้าด้วยกันแบบอนุกรมเชิงไฟฟ้าอยู่ภายในแผ่นเพวเทียร์ วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่นิยมใช้ทำแผ่นเพวเทียร์ในปัจจุบันคือ Bi₂Te₃ ชนิด N และ P เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีราคาถูกและมีประสิทธิภาพในระดับดี   


          เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก อิเล็กตรอนภายในวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิด N จะถูกขับเคลื่อนให้วิ่งสวนทางกันกับกระแสไฟฟ้า แต่โฮลภายในวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิด P จะถูกขับเคลื่อนให้วิ่งไปในทิศทางเดียวกันกับกระแสไฟฟ้า ในขณะที่ประจุไฟฟ้าเหล่านี้เคลื่อนที่พวกมันก็จะดึงเอาพลังงานความร้อนติดตัวไปด้วย และยิ่งถ้าต่อวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิด N และชนิด P เข้าด้วยกันแบบอนุกรมเชิงไฟฟ้าแล้วความร้อนที่ประจุไฟฟ้าดูดเอาไปด้วยได้ก็จะเพิ่มมากขึ้น นี่คือต้นกำเนิดทางฟิสิกส์ของการไหลของความร้อนซึ่งก่อให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านทั้งสองของแผ่นเพวเทียร์เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลภายในแผ่นเพวเทียร์ เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าปรากฏการณ์เพวเทียร์ (Peltier effect) ดังแสดงในรูปด้านล่าง 

การเกิดปรากฏการณ์เพวเทียร์ ^[2]

          นอกจากวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกจะแสดงปรากฏการณ์เพวเทียร์แล้ว มันยังแสดงปรากฏการณ์ซีเบค (Seebeck effect) ที่มีกระบวนการทางฟิสิกส์ตรงกันข้ามกับปรากฏการณ์เพวเทียร์ กล่าวคือ เมื่อด้านทั้งสองของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกมีอุณหภูมิต่างกันแล้วความร้อนจะไหลจากด้านที่มีอุณหภูมิสูงไปยังด้านที่มีอุณหภูมิต่ำตามกฏการนำความร้อนของฟูเรียร์ (Fourier’s law) การไหลของความร้อนจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนและโฮลเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันกับทิศทางการไหลของความร้อน จากนั้นการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าจะทำให้เกิดการแยกตัวของประจุไฟฟ้าภายในวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกซึ่งก่อให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าตกคร่อมวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกดังกล่าว ความต่างศักย์นี้จะแปรผันโดยตรงต่อความแตกต่างของอุณหภูมิ นอกจากนี้เมื่อต่อวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิด N และชนิด P หลายตัวเข้าด้วยกันแบบอนุกรมเชิงไฟฟ้าแล้วความต่างศักย์ที่ได้ก็จะเพิ่มมากขึ้นตามจำนวนของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกทั้งหมด จะเห็นได้ว่าแผ่นเพวเทียร์นอกจากจะใช้ทำความเย็นได้แล้วมันยังสามารถนำไปใช้ผลิตไฟฟ้าจากพลังงานความร้อนได้ด้วย  
 

การเกิดปรากฏการณ์ซีเบค

          แผ่นเพวเทียร์ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าค่อนข้างมากในการทำความเย็นเมื่อเทียบกับเครื่องปรับอากาศทั่วไป ทำให้มันยังไม่เป็นที่นิยมเมื่อเทียบกับเครื่องปรับอากาศ ดังนั้นการทำให้แผ่นเพวเทียร์สามารถทำความเย็นได้โดยไม่ต้องพึ่งพลังงานไฟฟ้าจากภายนอกจึงมีความสำคัญต่อการนำเอาอุปกรณ์ชิ้นนี้ไปใช้งานจริง

           
          นักวิจัยจากภาควิชาฟิสิกส์ที่ University of Zürich ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ นำโดย A. Schilling ^[3] ได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่า แผ่นเพวเทียร์สามารถลดอุณหภูมิของวัตถุลงจนมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิห้องโดยไม่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าจากภายนอก กลเม็ดที่นักวิจัยใช้คือการต่อแผ่นเพวเทียร์เข้ากับตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า (electrical inductor) ที่เหมาะสมแบบอนุกรมเชิงไฟฟ้า นักวิจัยเรียกวงจรไฟฟ้านี้ว่าตัวเหนี่ยวนำความร้อน (thermal inductor) เพราะมันสามารถทำให้ทิศทางของความร้อนเกิดการแกว่งกวัดสลับไปมาระหว่างด้านทั้งสองของแผ่นเพวเทียร์ ซึ่งคล้ายกับตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าที่สามารรถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีทิศทางสลับไปมาได้ (ไฟฟ้ากระแสสลับ)    
 

วงจรการทำงานของตัวเหนี่ยวนำความร้อน โดยสัญลักษณ์ k และ π แทนแผ่นเพวเทียร์ สัษลักษณ์ L แทนตัวเหนี่ยวนำ สัญลักษณ์ R แค่ค่าความต้านทานภายในวงจร สัญลักษณ์ T_b แทนอุณหภูมิของวัตถุที่ต้องการทำความเย็นซึ่งมีค่าความจุความร้อนเท่ากับ C และสัญลักษณ์ T_r แทนอุณหภูมิของแหล่งสะสมพลังงานความร้อน   

ขั้นตอนการทำความเย็นของตัวเหนี่ยวนำความร้อนที่ไม่ต้องพึ่งพาพลังงานไฟฟ้าจากภายนอกมีดังต่อไปนี้

1. วัตถุที่ต้องการทำความเย็นจะถูกนำไปแตะเข้ากับด้านหนึ่งของแผ่นเพวเทียร์ ส่วนอีกด้านของแผ่นเพวเทียร์จะแตะอยู่กับแหล่งสะสมพลังงานความร้อน (thermal reservoir) ที่มีอุณหภูมิคงที่ สิ่งที่สำคัญคือวัตถุที่ต้องการทำความเย็นจะต้องมีอุณหภูมิเริ่มต้นสูงกว่าอุณหภูมิของแหล่งสะสมพลังงานความร้อน (T_b>T_r) มิเช่นนั้นอุปกรณ์จะไม่สามารถทำงานได้
 

การเริ่มทำความเย็นของตัวเหนี่ยวนำความร้อน T_b>T_r

2. ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านทั้งสองของแผ่นเพวเทียร์จะทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าภายในวงจรตามปรากฏการณ์ซีเบค กระแสไฟฟ้าที่ไหลภายในวงจรนี้จะทำให้ความร้อนไหลจากวัตถุไปยังแหล่งสะสมพลังงานความร้อนตามปรากฏการณ์เพวเทียร์ ความร้อนที่ไหลออกจากวัตถุจะส่งผลให้อุณหภูมิของวัตถุเย็นลง และเนื่องจากกระแสไฟฟ้าจากปรากฏการณ์ซีเบคจะลดลงเรื่อยๆ ตามอุณหภูมิของวัตถุที่ลดต่ำลง จึงทำให้มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นจากตัวเหนี่ยวนำตามกฎของฟาราเดย์ (Faraday’s law)  
 

กระแสไฟฟ้าจากปรากฏการณ์ซีเบคและตัวเหนี่ยวนำทำให้ความร้อนไหลจากวัตถุไปยังแหล่งสะสมพลังงานความร้อน

3. เมื่ออุณหภูมิของวัตถุลดต่ำลงจนเท่ากันกับอุณหภูมิของแหล่งสะสมพลังงานความร้อน จะยังคงมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำไหลภายในวงจร ทำให้ความร้อนยังคงไหลจากวัตถุไปยังแหล่งสะสมพลังงานความร้อน ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของวัตถุลดต่ำลงอีก 
 

เมื่อ T_b=T_r จะมีเฉพาะกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ทำให้ความร้อนไหลจากวัตถุไปยังแหล่งสะสมพลังงานความร้อน

4. เมื่ออุณหภูมิของวัตถุมีค่าต่ำกว่าอุณหภูมิของแหล่งสะสมความร้อน ปรากฏการณ์ซีเบคจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลภายในวงจรอีกครั้ง กระแสไฟฟ้าจากปรากฏการณ์ซีเบคจะไหลในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำทำให้กระแสไฟฟ้าลัพธ์มีค่าลดลง เมื่อกระแสไฟฟ้าลัพธ์มีค่าใกล้เคียงศูนย์แล้วอุณหภูมิของวัตถุจะลดลงจนถึงจุดต่ำสุด จากนั้นอุณหภูมิของวัตถุจะกลับไปเพิ่มอีกครั้ง   
 

T_b < T_r และ T_b มีค่าต่ำสุดเมื่อกระแสไฟฟ้าลัพธ์ภายในวงจรมีค่าใกล้เคียงศูนย์

5. เราสามารถดึงวัตถุให้แยกออกจากแผ่นเพวเทียร์เมื่ออุณหภูมิของมันลดลงถึงจุดต่ำสุด วัตถุจะคงสภาพความเย็นเอาไว้ได้ถ้าวัตถุถูกหุ้มด้วยฉนวนความร้อน  
 
          อุณหภูมิของวัตถุจะลดลงเยอะ (นั่นคือประสิทธิภาพการทำความเย็นสูง) ถ้ากระแสไฟฟ้าที่ไหลภายในวงจรมีค่าสูง ดังนั้นพารามิเตอร์ที่กำหนดประสิทธิภาพการทำความเย็นคือประสิทธิภาพของแผ่นเพวเทียร์และค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำ ประสิทธิภาพการทำความเย็นจะดีถ้าประสิทธิภาพของแผ่นเพวเทียร์สูงและค่าการเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำสูง แต่อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของแผ่นเพวเทียร์ที่มีขายในท้องตลาดยังมีค่าต่ำ และปัญหาที่สร้างความปวดหัวให้กับนักวิจัยเป็นอย่างมากคือตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าความเหนี่ยวนำสูงก็จะมีค่าความต้านทานภายในสูงตามไปด้วย นั่นหมายความว่าจะมีพลังงานบางส่วนหายไปในรูปของพลังงานความร้อนภายในตัวเหนี่ยวนำมากขึ้น ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลภายในวงจรลดลงและทำให้ประสิทธิภาพในการทำความเย็นลดลง


          ดังนั้นในการทดลองสาธิตให้เห็นการทำความเย็น นักวิจัยจึงต้องใช้ขดลวดตัวนำยิ่งยวด (superconducting coil) ที่มีค่าความต้านทานน้อยมากเพื่อใช้ทำเป็นตัวเหนี่ยวนำ ส่วนแผ่นเพวเทียร์นั้นยังคงเป็นแผ่นเพวเทียร์ที่มีขายในท้องตลาด ด้านทั้งสองของแผ่นเพวเทียร์จะถูกประกบด้วยแหล่งสะสมพลังงานความร้อนและวัตถุที่ต้องการทำความเย็น นักวิจัยใช้แท่งทองแดงขนาดใหญ่ที่มีอุณหภูมิคงที่เท่ากับ 22°C เป็นแหล่งสะสมพลังงานความร้อน และใช้แท่งทองแดงปริมาตร 1 ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่มีอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากับ 104°C เป็นวัตถุที่ต้องการทำความเย็น รูปด้านล่างแสดงชุดการทดลองของนักวิจัย (ไม่รวมขดลวดตัวนำยิ่งยวด) 

ชุดการทดลอง (ไม่รวมขดลวดตัวนำยิ่งยวด) A แทนวัตถุที่ต้องการทำความเย็น, D1 แทนแผ่นเพวเทียร์, และ C แทนแหล่งสะสมพลังงานความร้อน

          จากการทดลองพบว่า ชุดการทดลองของนักวิจัยสามารถลดอุณหภูมิวัตถุลงได้ถึง 20.3°C ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิของแหล่งสะสมพลังงานความร้อนอยู่ 1.7°C ภายในระยะเวลา 410 วินาที จากผลการทดลองนี้ นักวิจัยได้ชี้ให้เห็นว่าความร้อนสามารถไหลจากบริเวณที่เย็นไปสู่บริเวณที่ร้อนได้โดยไม่ต้องใช้พลังงานจากภายนอกซึ่งมันควรจะเป็นไปไม่ได้เลยตามกฎพื้นฐานทางเทอร์โมไดนามิกส์ ความร้อนจะไหลจากบริเวณที่เย็นไปสู่บริเวณที่ร้อนได้ต้องอาศัยพลังงานไฟฟ้าจากภายนอกเท่านั้น แต่อย่างไรก็ตาม เมื่อนักวิจัยทำการวิเคราะห์เอนโทรปี (เอนโทรปีคือความร้อนหารด้วยอุณหภูมิ) แล้วพบว่าเอนโทรปีรวมของระบบจะเพิ่มขึ้นเสมอซึ่งสอดคล้องกับกฏพื้นฐานทางเทอร์โมไดนามิกส์ การวิเคราะห์นี้เป็นหลักฐานที่แสดงให้เห็นว่าจริงๆ แล้วระบบการทดลองนี้ไม่ได้ขัดกับกฎพื้นฐานทางเทอร์โมไดนามิกส์แต่อย่างใด


          อุณหภูมิของวัตถุจะลดลงมากขึ้นถ้าแผ่นเพวเทียร์ที่ใช้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ประสิทธิภาพของแผ่นเพวเทียร์จะถูกกำหนดโดยค่า ZT ของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก โดยวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีค่า ZT สูงจะทำให้แผ่นเพวเทียร์มีประสิทธิภาพสูง นักฟิสิกส์และนักวัสดุศาสตร์ยังคงค้นคว้าหาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิดใหม่ที่มีค่า ZT สูงขึ้นเรื่อยๆ ในขณะที่ราคาการผลิตมีค่าถูกลง ^[4]

 
          แต่อย่างไรก็ตาม วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีค่า ZT สูงเป็นอนันต์ก็ใช่ว่าจะทำให้อุณหภูมิของวัตถุลดลงจนเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (หรือ 0 K) เพราะอุณหภูมิต่ำสุดของวัตถุที่เป็นไปได้จะถูกจำกัดโดยประสิทธิภาพคาร์โนต์ (Carnot efficiency) เช่น ถ้าอุณหภูมิของแหล่งสะสมความร้อนเท่ากับ 30°C และอุณหภูมิเริ่มต้นของวัตถุเท่ากับ 100°C แล้ว อุณหภูมิต่ำสุดของวัตถุที่เป็นไปได้จะเท่ากับ 4.1°C ^[3] ดังนั้นไม่ว่าวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกจะมีค่า ZT สูงมากเพียงใดก็ตาม อุณหภูมิของวัตถุจะไม่มีทางลดลงต่ำกว่า 4.1°C ไปได้เลย ข้อจำกัดนี้บ่งบอกถึงความสามารถสูงสุดของระบบนี้ในการทำความเย็นโดยไม่ใช้แหล่งพลังงานจากภายนอก    



     

เรียบเรียงโดย

ดร. ปิยวัฒน์ ทัพสนิท
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] http://www.huimao.com/about/show.php?lang=en&id=4
• [2] https://prapsky.wordpress.com/2013/10/29/modul-praktikum-termoelektrik/
• [3] A. Schilling, X. Zhang and O. Bossen, “Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a thermal inductor,” Sci. Adv. 5, 7 pages (2019).
• [4] L. Yang, Z. G. Chen, M. S. Dargusch, and J. Zou, “High Performance Thermoelectric Materials: Progress and Their Applications,” Adv. Energy Mater. 8, 1701797 (2017).