ثنائي حراري

يمكن أن يشير مصطلح " الثنائي الحراري " إلى:

• جهاز (ربما غير كهربائي) يسمح بتدفق الحرارة بشكل تفضيلي في اتجاه واحد؛
• ثنائي كهربائي ( شبه موصل ) في إشارة إلى تأثير أو وظيفة حرارية؛
• أو قد يصف كلا الحالتين، حيث يتم استخدام الصمام الثنائي الكهربائي كمضخة حرارية أو مبرد كهروحراري .

الصمام الثنائي الحراري، بهذا المعنى، هو جهاز تختلف مقاومته الحرارية باختلاف اتجاه تدفق الحرارة. أي، عندما يكون الطرف الأول للصمام الثنائي الحراري أسخن من الطرف الثاني، تتدفق الحرارة بسهولة من الأول إلى الثاني، ولكن عندما يكون الطرف الثاني أسخن من الأول، يتدفق القليل من الحرارة من الثاني إلى الأول.

لوحظ هذا التأثير لأول مرة في سطح التماس بين النحاس وأكسيد النحاس الأحادي بواسطة تشونسي ستار في ثلاثينيات القرن العشرين. وبدءًا من عام ٢٠٠٢، طُرحت نماذج نظرية لتفسير هذا التأثير. وفي عام ٢٠٠٦، تم بناء أول ثنائيات حرارية صلبة مجهرية. ^{[ ١ ]} وفي أبريل ٢٠١٥، أعلن باحثون إيطاليون في المجلس الوطني للبحوث (CNR) عن تطوير ثنائي حراري عامل، ^{[ ٢ ]} ونشروا النتائج في مجلة Nature Nanotechnology . ^{[ ٣ ]}

يمكن أن تعمل المواسير الحرارية كتدفق حراري أحادي الاتجاه. وقد يكون لأنابيب الحرارة التي تعمل بالجاذبية نفس التأثير.

يُعرف جهاز الاستشعار المدمج في المعالجات الدقيقة والذي يستخدم لمراقبة درجة حرارة رقاقة المعالج أيضًا باسم "الثنائي الحراري".

يعتمد استخدام الثنائي الحراري في هذا التطبيق على خاصية الثنائيات الكهربائية في تغيير الجهد الكهربائي عبرها خطيًا تبعًا لدرجة الحرارة. فمع ارتفاع درجة الحرارة، ينخفض ​​جهد التشغيل الأمامي للثنائي. وتتعرض المعالجات الدقيقة ذات الترددات العالية لأحمال حرارية كبيرة، لذا تُستخدم الثنائيات الحرارية لمراقبة حدود درجة الحرارة. وعادةً ما تُوضع هذه الثنائيات في الجزء من نواة المعالج الذي يُسجل أعلى درجة حرارة. ويتغير الجهد الكهربائي المتولد عبرها بتغير درجة حرارة الثنائي. تحتوي جميع وحدات المعالجة المركزية الحديثة من AMD وIntel، بالإضافة إلى وحدات معالجة الرسومات من AMD وNvidia، على ثنائيات حرارية مدمجة. وبما أن المستشعر موجود مباشرةً على شريحة المعالج، فإنه يوفر قراءات دقيقة ومحلية لدرجة حرارة وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات. تتميز ثنائيات السيليكون بتغير في الجهد الكهربائي بمقدار -2 ملي فولت لكل درجة مئوية. وبالتالي، يمكن تحديد درجة حرارة الوصلة بتمرير تيار محدد عبر الثنائي ثم قياس الجهد الكهربائي المتولد عبره. وبالإضافة إلى المعالجات، تُستخدم هذه التقنية نفسها على نطاق واسع في دوائر متكاملة مخصصة لاستشعار درجة الحرارة.

يوجد نوعان. أحدهما يستخدم أشباه الموصلات ، أو المعادن الأقل كفاءة، مثل المزدوجات الحرارية ، ويعمل وفقًا لمبادئ تأثير بلتييه-سيبك . أما الآخر فيعتمد على أنابيب التفريغ ومبادئ الانبعاث الحراري .

اعتبارًا من عام 2009، يعمل فريق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على تطوير ثنائيات حرارية تحوّل الحرارة إلى كهرباء عند درجات حرارة أقل من السابق. ^{[ 4 ]} ويمكن استخدام هذه التقنية في صناعة المحركات أو في إنتاج الكهرباء. تبلغ كفاءة الثنائيات الحرارية الحالية حوالي 18% في نطاق درجات الحرارة من 200 إلى 300 درجة مئوية. ^{[ 5 ]}

• طائر الشرب
• أنبوب حراري حلقي
• الترموسيفون

• مقال إخباري حول الزيادة في كفاءة الثنائيات الحرارية لأشباه الموصلات
• توليد الطاقة الكهروحرارية: تحويل الحرارة منخفضة الدرجة إلى كهرباء (معادلات الثنائيات الحرارية لأشباه الموصلات)