ऊष्माविद्युत शीतलन इकाइयों और ऊष्माविद्युत शीतलन प्रणालियों का विकास और अनुप्रयोग

थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग यूनिट, पेल्टियर कूलर (जिन्हें थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग कंपोनेंट्स भी कहा जाता है) पेल्टियर प्रभाव पर आधारित सॉलिड-स्टेट कूलिंग डिवाइस हैं। इनमें यांत्रिक गति का अभाव, रेफ्रिजरेंट की आवश्यकता न होना, छोटा आकार, तीव्र प्रतिक्रिया और सटीक तापमान नियंत्रण जैसे लाभ हैं। हाल के वर्षों में, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, चिकित्सा देखभाल, ऑटोमोबाइल और अन्य क्षेत्रों में इनके अनुप्रयोगों का विस्तार निरंतर हुआ है।

I. थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग सिस्टम और उसके घटकों के मूल सिद्धांत

ऊष्माविद्युत शीतलन का मूल सिद्धांत पेल्टियर प्रभाव है: जब दो भिन्न-भिन्न अर्धचालक पदार्थ (पी-प्रकार और एन-प्रकार) एक थर्मोकपल युग्म बनाते हैं और उनमें प्रत्यक्ष धारा प्रवाहित की जाती है, तो थर्मोकपल युग्म का एक सिरा ऊष्मा अवशोषित करता है (शीतलन सिरा), और दूसरा सिरा ऊष्मा उत्सर्जित करता है (ऊष्मा अपव्यय सिरा)। धारा की दिशा बदलकर शीतलन सिरे और ऊष्मा अपव्यय सिरे को आपस में बदला जा सकता है।

इसकी शीतलन क्षमता मुख्य रूप से तीन मुख्य मापदंडों पर निर्भर करती है:

ऊष्माविद्युत गुणांक (ZT मान): यह ऊष्माविद्युत पदार्थों के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने वाला एक प्रमुख सूचक है। ZT मान जितना अधिक होगा, शीतलन दक्षता उतनी ही अधिक होगी।

गर्म और ठंडे सिरों के बीच तापमान का अंतर: ऊष्मा क्षय करने वाले सिरे पर ऊष्मा का अपव्यय सीधे तौर पर शीतलन सिरे पर शीतलन क्षमता निर्धारित करता है। यदि ऊष्मा का अपव्यय सुचारू रूप से नहीं होता है, तो गर्म और ठंडे सिरों के बीच तापमान का अंतर कम हो जाएगा, और शीतलन दक्षता में तेजी से गिरावट आएगी।

कार्यशील धारा: निर्धारित सीमा के भीतर, धारा में वृद्धि से शीतलन क्षमता बढ़ती है। हालांकि, एक बार सीमा पार हो जाने पर, जूल ऊष्मा में वृद्धि के कारण दक्षता कम हो जाएगी।

II. ऊष्माविद्युत शीतलन इकाइयों (पेल्टियर शीतलन प्रणाली) का विकास इतिहास और तकनीकी उपलब्धियाँ

हाल के वर्षों में, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग घटकों के विकास ने दो प्रमुख दिशाओं पर ध्यान केंद्रित किया है: सामग्री नवाचार और संरचनात्मक अनुकूलन।

उच्च प्रदर्शन वाले थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का अनुसंधान और विकास

पारंपरिक Bi₂Te₃-आधारित सामग्रियों के ZT मान को डोपिंग (जैसे Sb, Se) और नैनोस्केल उपचार के माध्यम से 1.2-1.5 तक बढ़ाया गया है।

लेड टेल्यूराइड (PbTe) और सिलिकॉन-जर्मेनियम मिश्र धातु (SiGe) जैसी नई सामग्रियां मध्यम और उच्च तापमान (200 से 500 ℃) की स्थितियों में असाधारण रूप से अच्छा प्रदर्शन करती हैं।

कार्बनिक-अकार्बनिक मिश्रित थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री और टोपोलॉजिकल इंसुलेटर जैसी नई सामग्रियों से लागत को और कम करने और दक्षता में सुधार करने की उम्मीद है।

घटक संरचना अनुकूलन

लघुकरण डिजाइन: उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स की लघुकरण आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए एमईएमएस (माइक्रो-इलेक्ट्रो-मैकेनिकल सिस्टम) प्रौद्योगिकी के माध्यम से माइक्रोन-स्केल थर्मोपाइल्स तैयार करें।

मॉड्यूलर एकीकरण: औद्योगिक स्तर की थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग आवश्यकताओं को पूरा करने वाले उच्च-शक्ति वाले थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, पेल्टियर कूलर, पेल्टियर डिवाइस बनाने के लिए कई थर्मोइलेक्ट्रिक इकाइयों को श्रृंखला या समानांतर में कनेक्ट करें।

एकीकृत ऊष्मा अपव्यय संरचना: ऊष्मा अपव्यय दक्षता को बढ़ाने और समग्र आयतन को कम करने के लिए शीतलन पंखों को ऊष्मा अपव्यय पंखों और ऊष्मा पाइपों के साथ एकीकृत करें।

III ऊष्माविद्युत शीतलन इकाइयों और ऊष्माविद्युत शीतलन घटकों के विशिष्ट अनुप्रयोग परिदृश्य

थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग यूनिट्स का सबसे बड़ा फायदा इनकी सॉलिड-स्टेट प्रकृति, शोर-रहित संचालन और सटीक तापमान नियंत्रण में निहित है। इसलिए, जहां कंप्रेसर कूलिंग के लिए उपयुक्त नहीं होते, वहां इनका अपरिहार्य स्थान है।

उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में

मोबाइल फोन की ऊष्मा का अपव्यय: उच्च-स्तरीय गेमिंग फोन माइक्रो थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, टीईसी मॉड्यूल, पेल्टियर डिवाइस आदि से लैस होते हैं, जो लिक्विड कूलिंग सिस्टम के साथ मिलकर चिप के तापमान को तेजी से कम कर सकते हैं, जिससे गेमिंग के दौरान अत्यधिक गर्मी के कारण आवृत्ति में कमी को रोका जा सकता है।

कार रेफ्रिजरेटर, कार कूलर: छोटे कार रेफ्रिजरेटर ज्यादातर थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग तकनीक का उपयोग करते हैं, जो कूलिंग और हीटिंग दोनों कार्य करती है (करंट की दिशा बदलकर हीटिंग भी की जा सकती है)। ये आकार में छोटे, कम ऊर्जा खपत वाले और कार के 12V पावर सप्लाई के अनुकूल होते हैं।

पेय पदार्थ ठंडा करने वाला कप/इंसुलेटेड कप: पोर्टेबल कूलिंग कप में एक अंतर्निर्मित माइक्रो कूलिंग प्लेट लगी होती है, जो रेफ्रिजरेटर पर निर्भर किए बिना पेय पदार्थों को 5 से 15 डिग्री सेल्सियस तक जल्दी से ठंडा कर सकती है।

2. चिकित्सा एवं जीव विज्ञान के क्षेत्र

सटीक तापमान नियंत्रण उपकरण, जैसे कि पीसीआर उपकरण (पॉलीमरेज़ चेन रिएक्शन उपकरण) और रक्त रेफ्रिजरेटर, को स्थिर कम तापमान वाले वातावरण की आवश्यकता होती है। सेमीकंडक्टर रेफ्रिजरेशन घटक ±0.1℃ की सटीकता के साथ सटीक तापमान नियंत्रण प्राप्त कर सकते हैं, और रेफ्रिजरेंट संदूषण का कोई खतरा नहीं होता है।

पोर्टेबल चिकित्सा उपकरण: जैसे कि इंसुलिन रेफ्रिजरेशन बॉक्स, जो आकार में छोटे होते हैं और जिनकी बैटरी लाइफ लंबी होती है, मधुमेह रोगियों के लिए बाहर जाते समय साथ ले जाने के लिए उपयुक्त होते हैं, जिससे इंसुलिन के भंडारण तापमान को सुनिश्चित किया जा सके।

लेजर उपकरण तापमान नियंत्रण: चिकित्सा लेजर उपचार उपकरणों (जैसे लेजर) के मुख्य घटक तापमान के प्रति संवेदनशील होते हैं, और अर्धचालक शीतलन घटक उपकरण के स्थिर संचालन को सुनिश्चित करने के लिए वास्तविक समय में गर्मी को दूर कर सकते हैं।

3. औद्योगिक और एयरोस्पेस क्षेत्र

औद्योगिक लघु-स्तरीय प्रशीतन उपकरण: जैसे इलेक्ट्रॉनिक घटक आयु परीक्षण कक्ष और सटीक उपकरण स्थिर तापमान स्नान, जिन्हें स्थानीय निम्न-तापमान वातावरण की आवश्यकता होती है, थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन इकाइयाँ, थर्मोइलेक्ट्रिक घटकों को आवश्यकतानुसार प्रशीतन शक्ति के साथ अनुकूलित किया जा सकता है।

अंतरिक्ष उपकरण: अंतरिक्ष यान में इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को निर्वात वातावरण में ऊष्मा का उत्सर्जन करने में कठिनाई होती है। थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग सिस्टम, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग यूनिट और थर्मोइलेक्ट्रिक कंपोनेंट, ठोस अवस्था उपकरणों के रूप में, अत्यधिक विश्वसनीय और कंपन-मुक्त होते हैं, और इनका उपयोग उपग्रहों और अंतरिक्ष स्टेशनों में इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के तापमान नियंत्रण के लिए किया जा सकता है।

4. अन्य उभरते परिदृश्य

पहनने योग्य उपकरण: अंतर्निर्मित लचीली थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग प्लेटों वाले स्मार्ट कूलिंग हेलमेट और कूलिंग सूट, उच्च तापमान वाले वातावरण में मानव शरीर को स्थानीय शीतलन प्रदान कर सकते हैं और बाहरी श्रमिकों के लिए उपयुक्त हैं।

कोल्ड चेन लॉजिस्टिक्स: थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग, पेल्टियर कूलिंग और बैटरी से चलने वाले छोटे कोल्ड चेन पैकेजिंग बॉक्स का उपयोग बड़े रेफ्रिजरेटेड ट्रकों पर निर्भर हुए बिना टीकों और ताजे उत्पादों के कम दूरी के परिवहन के लिए किया जा सकता है।

IV. थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग यूनिट्स और पेल्टियर कूलिंग कंपोनेंट्स की सीमाएं और विकास के रुझान

मौजूदा सीमाएँ

इसकी शीतलन दक्षता अपेक्षाकृत कम है: इसका ऊर्जा दक्षता अनुपात (सीओपी) आमतौर पर 0.3 और 0.8 के बीच होता है, जो कंप्रेसर शीतलन (सीओपी 2 से 5 तक पहुंच सकता है) की तुलना में काफी कम है, और यह बड़े पैमाने पर और उच्च क्षमता वाले शीतलन परिदृश्यों के लिए उपयुक्त नहीं है।

उच्च ऊष्मा अपव्यय आवश्यकताएँ: यदि ऊष्मा अपव्यय सिरे पर ऊष्मा समय पर बाहर नहीं निकल पाती है, तो इससे शीतलन प्रभाव गंभीर रूप से प्रभावित होगा। इसलिए, इसमें एक कुशल ऊष्मा अपव्यय प्रणाली का होना आवश्यक है, जो कुछ सीमित और कॉम्पैक्ट स्थानों में इसके उपयोग को सीमित करता है।

उच्च लागत: उच्च-प्रदर्शन वाले थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों (जैसे नैनो-डोप्ड Bi₂Te₃) की तैयारी की लागत पारंपरिक प्रशीतन सामग्रियों की तुलना में अधिक होती है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च-स्तरीय घटकों की कीमत अपेक्षाकृत अधिक होती है।

2. भविष्य के विकास के रुझान

भौतिक क्षेत्र में अभूतपूर्व प्रगति: कम लागत वाली, उच्च जेडटी मान वाली थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री विकसित करना, जिसका लक्ष्य कमरे के तापमान पर जेडटी मान को 2.0 से अधिक तक बढ़ाना और कंप्रेसर प्रशीतन के साथ दक्षता अंतर को कम करना है।

लचीलापन और एकीकरण: घुमावदार सतह वाले उपकरणों (जैसे लचीली स्क्रीन वाले मोबाइल फोन और स्मार्ट पहनने योग्य उपकरण) के अनुकूल लचीले थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, टीईसी मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, पेल्टियर उपकरण, पेल्टियर मॉड्यूल और पेल्टियर कूलर विकसित करना; "चिप-स्तरीय तापमान नियंत्रण" प्राप्त करने के लिए चिप्स और सेंसर के साथ थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग घटकों के एकीकरण को बढ़ावा देना।

ऊर्जा-बचत डिजाइन: इंटरनेट ऑफ थिंग्स (आईओटी) तकनीक को एकीकृत करके, शीतलन घटकों के बुद्धिमान स्टार्ट-स्टॉप और पावर विनियमन को प्राप्त किया जाता है, जिससे समग्र ऊर्जा खपत कम हो जाती है।

V. सारांश

थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग यूनिट, पेल्टियर कूलिंग यूनिट और थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग सिस्टम, अपनी ठोस अवस्था, शांत संचालन और सटीक तापमान नियंत्रण जैसी अनूठी विशेषताओं के कारण उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, चिकित्सा देखभाल और एयरोस्पेस जैसे क्षेत्रों में महत्वपूर्ण स्थान रखते हैं। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री प्रौद्योगिकी और संरचनात्मक डिजाइन में निरंतर सुधार के साथ, इसकी शीतलन क्षमता और लागत संबंधी समस्याएं धीरे-धीरे कम होती जाएंगी, और भविष्य में यह अधिक विशिष्ट परिदृश्यों में पारंपरिक शीतलन प्रौद्योगिकी का स्थान लेने की उम्मीद है।