ऊष्माविद्युत शीतलन उद्योग की नई विकास दिशा

ऊष्माविद्युत शीतलन उद्योग की नई विकास दिशा

थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर, जिन्हें थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल भी कहा जाता है, अपनी विशेषताओं जैसे कि गतिहीन पुर्जों, सटीक तापमान नियंत्रण, छोटे आकार और उच्च विश्वसनीयता के कारण विशिष्ट क्षेत्रों में अद्वितीय लाभ प्रदान करते हैं। हाल के वर्षों में, इस क्षेत्र में मूलभूत सामग्रियों में कोई क्रांतिकारी प्रगति नहीं हुई है, लेकिन सामग्री अनुकूलन, सिस्टम डिज़ाइन और अनुप्रयोग विस्तार में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है।

निम्नलिखित कुछ प्रमुख नए विकास दिशा-निर्देश हैं:

I. कोर सामग्री और उपकरणों में प्रगति

ऊष्माविद्युत सामग्रियों के प्रदर्शन का निरंतर अनुकूलन

परंपरागत सामग्रियों (Bi₂Te₃ आधारित) का अनुकूलन: बिस्मथ टेल्यूरियम यौगिक कमरे के तापमान के आसपास सर्वोत्तम प्रदर्शन करने वाली सामग्रियां बनी हुई हैं। वर्तमान शोध का मुख्य उद्देश्य नैनोसाइज़िंग, डोपिंग और टेक्सचरिंग जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से इसके ऊष्मविद्युत गुणों को और बढ़ाना है। उदाहरण के लिए, नैनोवायर और सुपरलैटिस संरचनाओं का निर्माण करके फोनन स्कैटरिंग को बढ़ाकर और तापीय चालकता को कम करके, विद्युत चालकता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित किए बिना दक्षता में सुधार किया जा सकता है।

नई सामग्रियों की खोज: हालांकि ये अभी बड़े पैमाने पर व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नहीं हैं, शोधकर्ता SnSe, Mg₃Sb₂ और CsBi₄Te₆ जैसी नई सामग्रियों की खोज कर रहे हैं, जिनमें विशिष्ट तापमान क्षेत्रों में Bi₂Te₃ की तुलना में अधिक क्षमता हो सकती है, जो भविष्य में प्रदर्शन में बड़ी छलांग लगाने की संभावना प्रदान करती है।

उपकरण संरचना और एकीकरण प्रक्रिया में नवाचार

लघुकरण और संयोजन: उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स (जैसे मोबाइल फोन के हीट डिसिपेशन बैक क्लिप) और ऑप्टिकल संचार उपकरणों जैसे सूक्ष्म उपकरणों की ऊष्मा अपव्यय आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, माइक्रो-टीईसी (माइक्रो थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, लघु थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल) की निर्माण प्रक्रिया तेजी से परिष्कृत होती जा रही है। अब केवल 1×1 मिमी या उससे भी छोटे आकार के पेल्टियर मॉड्यूल, पेल्टियर कूलर, पेल्टियर उपकरण और थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरण बनाना संभव है, और सटीक स्थानीय शीतलन प्राप्त करने के लिए इन्हें लचीले ढंग से सरणियों में एकीकृत किया जा सकता है।

लचीला टीईसी मॉड्यूल (पेल्टियर मॉड्यूल): यह एक उभरता हुआ महत्वपूर्ण विषय है। प्रिंटेड इलेक्ट्रॉनिक्स और लचीली सामग्रियों जैसी तकनीकों का उपयोग करके, गैर-समतल टीईसी मॉड्यूल और पेल्टियर उपकरण बनाए जाते हैं जिन्हें मोड़ा और चिपकाया जा सकता है। पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और स्थानीय जैव चिकित्सा (जैसे पोर्टेबल कोल्ड कंप्रेस) जैसे क्षेत्रों में इसकी व्यापक संभावनाएं हैं।

बहुस्तरीय संरचना अनुकूलन: अधिक तापमान अंतर की आवश्यकता वाले परिदृश्यों के लिए, बहु-चरणीय टीईसी मॉड्यूल और बहु-चरणीय थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल प्राथमिक समाधान बने हुए हैं। वर्तमान प्रगति संरचनात्मक डिजाइन और बॉन्डिंग प्रक्रियाओं में परिलक्षित होती है, जिसका उद्देश्य अंतर-चरणीय तापीय प्रतिरोध को कम करना, समग्र विश्वसनीयता बढ़ाना और अधिकतम तापमान अंतर को प्राप्त करना है।

ii. सिस्टम-स्तरीय अनुप्रयोगों और समाधानों का विस्तार

यह वर्तमान में सबसे गतिशील क्षेत्र है जहां नए घटनाक्रमों को प्रत्यक्ष रूप से देखा जा सकता है।

हॉट-एंड हीट डिसिपेशन तकनीक का सह-विकास

टीईसी मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल और पेल्टियर मॉड्यूल के प्रदर्शन को सीमित करने वाला प्रमुख कारक अक्सर गर्म सिरे पर ऊष्मा अपव्यय क्षमता होती है। उच्च दक्षता वाली हीट सिंक तकनीक के विकास के साथ टीईसी के प्रदर्शन में सुधार परस्पर सहायक होता है।

VC वेपर चैंबर/हीट पाइप के साथ संयोजन: उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, TEC मॉड्यूल और पेल्टियर डिवाइस को अक्सर वैक्यूम चैंबर वेपर चैंबर के साथ संयोजित किया जाता है। TEC मॉड्यूल और पेल्टियर कूलर कम तापमान वाला क्षेत्र सक्रिय रूप से बनाने का काम करते हैं, जबकि VC TEC मॉड्यूल और पेल्टियर एलिमेंट के गर्म सिरे से ऊष्मा को बड़े हीट डिसिपेशन फिन्स तक कुशलतापूर्वक फैलाता है, जिससे "सक्रिय शीतलन + कुशल ऊष्मा चालन और निष्कासन" का एक सिस्टम समाधान बनता है। गेमिंग फोन और हाई-एंड ग्राफिक्स कार्ड के लिए हीट डिसिपेशन मॉड्यूल में यह एक नया चलन है।

तरल शीतलन प्रणालियों के साथ संयोजन: डेटा केंद्रों और उच्च-शक्ति वाले लेजरों जैसे क्षेत्रों में, टीईसी मॉड्यूल को तरल शीतलन प्रणालियों के साथ संयोजित किया जाता है। तरल पदार्थों की अत्यधिक उच्च विशिष्ट ऊष्मा धारिता का लाभ उठाते हुए, टीईसी मॉड्यूल के थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल के गर्म सिरे पर मौजूद ऊष्मा को दूर किया जाता है, जिससे अभूतपूर्व रूप से कुशल शीतलन क्षमता प्राप्त होती है।

बुद्धिमान नियंत्रण और ऊर्जा दक्षता प्रबंधन

आधुनिक थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग सिस्टम में उच्च परिशुद्धता वाले तापमान सेंसर और PID/PWM नियंत्रकों का उपयोग तेजी से बढ़ रहा है। एल्गोरिदम के माध्यम से थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, TEC मॉड्यूल और पेल्टियर मॉड्यूल के इनपुट करंट/वोल्टेज को वास्तविक समय में समायोजित करके, ±0.1℃ या उससे भी अधिक की तापमान स्थिरता प्राप्त की जा सकती है, साथ ही ओवरचार्ज और दोलन से बचा जा सकता है और ऊर्जा की बचत की जा सकती है।

पल्स ऑपरेशन मोड: कुछ अनुप्रयोगों के लिए, निरंतर बिजली आपूर्ति के बजाय पल्स बिजली आपूर्ति का उपयोग करने से तात्कालिक शीतलन आवश्यकताओं को पूरा किया जा सकता है, साथ ही समग्र ऊर्जा खपत को काफी कम किया जा सकता है और ऊष्मा भार को संतुलित किया जा सकता है।

iii. उभरते और उच्च विकास वाले अनुप्रयोग क्षेत्र

उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए ऊष्मा अपव्यय

गेमिंग फोन और ई-स्पोर्ट्स एक्सेसरीज़: थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल (टीईसी मॉड्यूल) और प्लेटियर मॉड्यूल के बाज़ार में हाल के वर्षों में सबसे तेज़ी से विकास करने वाले क्षेत्रों में से एक गेमिंग फोन और ई-स्पोर्ट्स एक्सेसरीज़ हैं। एक्टिव कूलिंग बैक क्लिप में अंतर्निर्मित थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल (टीईसी मॉड्यूल) लगे होते हैं, जो फोन के SoC के तापमान को परिवेश के तापमान से नीचे रखते हैं, जिससे गेमिंग के दौरान लगातार उच्च-प्रदर्शन सुनिश्चित होता है।

लैपटॉप और डेस्कटॉप: कुछ उच्च-स्तरीय लैपटॉप और ग्राफिक्स कार्ड (जैसे कि NVIDIA RTX 30/40 श्रृंखला के संदर्भ कार्ड) कोर चिप्स को ठंडा करने में सहायता के लिए TEC मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल को एकीकृत करने का प्रयास करने लगे हैं।

ऑप्टिकल संचार और डेटा केंद्र

5G/6G ऑप्टिकल मॉड्यूल: हाई-स्पीड ऑप्टिकल मॉड्यूल में लेज़र (DFB/EML) तापमान के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं और तरंगदैर्ध्य स्थिरता और संचरण गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए सटीक स्थिर तापमान (आमतौर पर ±0.5℃ के भीतर) के लिए TEC की आवश्यकता होती है। जैसे-जैसे डेटा दरें 800G और 1.6T की ओर बढ़ रही हैं, TEC मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, पेल्टियर कूलर और पेल्टियर तत्वों की मांग और आवश्यकताएं दोनों बढ़ रही हैं।

डेटा केंद्रों में स्थानीय शीतलन: सीपीयू और जीपीयू जैसे हॉटस्पॉट पर ध्यान केंद्रित करते हुए, लक्षित उन्नत शीतलन के लिए टीईसी मॉड्यूल का उपयोग करना डेटा केंद्रों में ऊर्जा दक्षता और कंप्यूटिंग घनत्व में सुधार के लिए अनुसंधान की दिशाओं में से एक है।

ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स

वाहन पर लगे लिडार: लिडार के कोर लेजर एमिटर को स्थिर परिचालन तापमान की आवश्यकता होती है। टीईसी एक महत्वपूर्ण घटक है जो वाहन पर लगे कठोर वातावरण (-40℃ से +105℃) में इसके सामान्य संचालन को सुनिश्चित करता है।

बुद्धिमान कॉकपिट और उच्च-स्तरीय इंफोटेनमेंट सिस्टम: वाहनों में लगे चिप्स की बढ़ती कंप्यूटिंग क्षमता के साथ, उनकी ऊष्मा अपव्यय की आवश्यकताएं धीरे-धीरे उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकताओं के अनुरूप होती जा रही हैं। टीईसी मॉड्यूल और टीई कूलर को भविष्य के उच्च-स्तरीय वाहन मॉडलों में उपयोग किए जाने की उम्मीद है।

चिकित्सा और जीवन विज्ञान

पीसीआर उपकरण और डीएनए सीक्वेंसर जैसे पोर्टेबल चिकित्सा उपकरणों के लिए तीव्र और सटीक तापमान चक्रण की आवश्यकता होती है, और टीईसी/पेल्टियर मॉड्यूल इसका मुख्य तापमान नियंत्रण घटक है। उपकरणों के लघुकरण और सुवाह्यता की प्रवृत्ति ने सूक्ष्म और कुशल टीईसी/पेल्टियर कूलर के विकास को गति प्रदान की है।

सौंदर्य प्रसाधन उपकरण: कुछ उच्च श्रेणी के सौंदर्य प्रसाधन उपकरण सटीक ठंडी और गर्म सिकाई के कार्यों को प्राप्त करने के लिए टीईसी (टेक्नोलॉजी एंड केमिकल्स) पेल्टियर डिवाइस के पेल्टियर प्रभाव का उपयोग करते हैं।

एयरोस्पेस और विशेष वातावरण

इन्फ्रारेड डिटेक्टर कूलिंग: सैन्य, एयरोस्पेस और वैज्ञानिक अनुसंधान क्षेत्रों में, शोर को कम करने के लिए इन्फ्रारेड डिटेक्टरों को अत्यंत कम तापमान (जैसे -80℃ से नीचे) तक ठंडा करने की आवश्यकता होती है। मल्टी-स्टेज टीईसी मॉड्यूल, मल्टी-स्टेज पेल्टियर मॉड्यूल और मल्टी-स्टेज थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए एक लघु और अत्यधिक विश्वसनीय समाधान हैं।

उपग्रह पेलोड तापमान नियंत्रण: उपग्रहों पर लगे सटीक उपकरणों के लिए एक स्थिर तापीय वातावरण प्रदान करना।

IV. सामने आने वाली चुनौतियाँ और भविष्य की संभावनाएँ

मुख्य चुनौती: पारंपरिक कंप्रेसर कूलिंग की तुलना में टीईसी मॉड्यूल पेल्टियर मॉड्यूल (थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल) की अपेक्षाकृत कम ऊर्जा दक्षता सबसे बड़ी कमी बनी हुई है। इसकी थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग दक्षता कार्नोट चक्र की तुलना में कहीं कम है।

भविष्य की संभावनाएं

भौतिक क्षेत्र में अभूतपूर्व प्रगति ही अंतिम लक्ष्य है: यदि कमरे के तापमान के आसपास 3.0 या उससे अधिक के थर्मोइलेक्ट्रिक श्रेष्ठता मान वाले नए पदार्थों की खोज या संश्लेषण किया जा सकता है (वर्तमान में, वाणिज्यिक Bi₂Te₃ का मान लगभग 1.0 है), तो यह पूरे उद्योग में एक क्रांति ला देगा।

सिस्टम एकीकरण और बुद्धिमत्ता: भविष्य की प्रतिस्पर्धा "व्यक्तिगत टीईसी प्रदर्शन" से हटकर "टीईसी + ऊष्मा अपव्यय + नियंत्रण" के समग्र सिस्टम समाधान की क्षमता पर केंद्रित होगी। पूर्वानुमानित तापमान नियंत्रण के लिए एआई का संयोजन भी एक दिशा है।

लागत में कमी और बाजार में पैठ बनाना: विनिर्माण प्रक्रियाओं के परिपक्व होने और बड़े पैमाने पर उत्पादन के साथ, टीईसी की लागत में और कमी आने की उम्मीद है, जिससे यह अधिक मध्यम श्रेणी और यहां तक ​​कि बड़े पैमाने के बाजारों में भी पैठ बना पाएगा।

संक्षेप में, वैश्विक थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर उद्योग वर्तमान में अनुप्रयोग-आधारित और सहयोगात्मक नवाचार विकास के चरण में है। हालांकि बुनियादी सामग्रियों में कोई क्रांतिकारी परिवर्तन नहीं हुआ है, लेकिन इंजीनियरिंग प्रौद्योगिकी की प्रगति और अपस्ट्रीम और डाउनस्ट्रीम प्रौद्योगिकियों के साथ गहन एकीकरण के माध्यम से, टीईसी मॉड्यूल और पेल्टियर मॉड्यूल, पेल्टियर कूलर तेजी से उभरते और उच्च-मूल्य वाले क्षेत्रों में अपनी अपरिहार्य स्थिति स्थापित कर रहे हैं, जो उनकी प्रबल क्षमता को दर्शाता है।