थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन एकाइहरू, थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन प्रणालीहरूको विकास र प्रयोग

थर्मोइलेक्ट्रिक कुलिङ युनिट, पेल्टियर कूलर (जसलाई थर्मोइलेक्ट्रिक कुलिङ कम्पोनेन्ट पनि भनिन्छ) पेल्टियर प्रभावमा आधारित ठोस-अवस्था कुलिङ उपकरणहरू हुन्। तिनीहरूसँग कुनै यान्त्रिक चाल, कुनै रेफ्रिजरेन्ट, सानो आकार, छिटो प्रतिक्रिया, र सटीक तापक्रम नियन्त्रणको फाइदाहरू छन्। हालका वर्षहरूमा, उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स, चिकित्सा हेरचाह, अटोमोबाइल र अन्य क्षेत्रहरूमा तिनीहरूको अनुप्रयोगहरू विस्तार हुँदै गइरहेका छन्।

I. थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन प्रणाली र घटकहरूको मुख्य सिद्धान्तहरू

थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिङको मूल तत्व पेल्टियर प्रभाव हो: जब दुई फरक अर्धचालक सामग्रीहरू (P-प्रकार र N-प्रकार) ले थर्मोकपल जोडी बनाउँछन् र प्रत्यक्ष प्रवाह लागू गरिन्छ, थर्मोकपल जोडीको एउटा छेउले ताप (चिसो पार्ने अन्त्य) अवशोषित गर्नेछ, र अर्को छेउले ताप (तातो अपव्यय अन्त्य) छोड्नेछ। करेन्टको दिशा परिवर्तन गरेर, शीतलन अन्त्य र ताप अपव्यय अन्त्यलाई आदानप्रदान गर्न सकिन्छ।

यसको शीतलन कार्यसम्पादन मुख्यतया तीन मुख्य प्यारामिटरहरूमा निर्भर गर्दछ:

थर्मोइलेक्ट्रिक गुणांक योग्यता (ZT मान): यो थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीहरूको कार्यसम्पादन मूल्याङ्कनको लागि एक प्रमुख सूचक हो। ZT मान जति उच्च हुन्छ, शीतलन दक्षता त्यति नै उच्च हुन्छ।

तातो र चिसो छेउहरू बीचको तापक्रम भिन्नता: तातो अपव्यय छेउमा ताप अपव्यय प्रभावले शीतलन छेउमा शीतलन क्षमतालाई प्रत्यक्ष रूपमा निर्धारण गर्दछ। यदि ताप अपव्यय सहज छैन भने, तातो र चिसो छेउहरू बीचको तापक्रम भिन्नता साँघुरो हुनेछ, र शीतलन दक्षता तीव्र रूपमा घट्नेछ।

कार्य प्रवाह: मूल्याङ्कन गरिएको दायरा भित्र, प्रवाहमा वृद्धिले शीतलन क्षमता बढाउँछ। यद्यपि, एक पटक थ्रेसहोल्ड नाघेपछि, जुल तापमा वृद्धिको कारणले दक्षता घट्नेछ।

II थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग युनिटहरू (पेल्टियर कूलिंग सिस्टम) को विकास इतिहास र प्राविधिक सफलताहरू

हालैका वर्षहरूमा, थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन घटकहरूको विकास दुई प्रमुख दिशाहरूमा केन्द्रित भएको छ: सामग्री नवीनता र संरचनात्मक अनुकूलन।

उच्च-प्रदर्शन थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीहरूको अनुसन्धान र विकास

डोपिङ (जस्तै Sb, Se) र न्यानोस्केल उपचार मार्फत परम्परागत Bi₂Te₃-आधारित सामग्रीहरूको ZT मान १.२-१.५ मा बढाइएको छ।

लिड टेलुराइड (PbTe) र सिलिकन-जर्मेनियम मिश्र धातु (SiGe) जस्ता नयाँ सामग्रीहरूले मध्यम र उच्च-तापमान परिदृश्यहरू (२०० देखि ५०० डिग्री सेल्सियस) मा असाधारण रूपमा राम्रो प्रदर्शन गर्छन्।

जैविक-अकार्बनिक कम्पोजिट थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री र टोपोलोजिकल इन्सुलेटर जस्ता नयाँ सामग्रीहरूले लागत घटाउने र दक्षतामा सुधार गर्ने अपेक्षा गरिएको छ।

घटक संरचना अनुकूलन

लघुकरण डिजाइन: उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्सको लघुकरण आवश्यकताहरू पूरा गर्न MEMS (माइक्रो-इलेक्ट्रो-मेकानिकल प्रणाली) प्रविधि मार्फत माइक्रोन-स्केल थर्मोपाइलहरू तयार गर्नुहोस्।

मोड्युलर एकीकरण: औद्योगिक-ग्रेड थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन आवश्यकताहरू पूरा गर्दै उच्च-शक्ति थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन मोड्युलहरू, पेल्टियर कूलरहरू, पेल्टियर उपकरणहरू बनाउन श्रृंखला वा समानान्तरमा धेरै थर्मोइलेक्ट्रिक एकाइहरू जडान गर्नुहोस्।

एकीकृत ताप अपव्यय संरचना: ताप अपव्यय दक्षता बढाउन र समग्र मात्रा घटाउन ताप अपव्यय फिनहरू र ताप पाइपहरूसँग कूलिंग फिनहरू एकीकृत गर्नुहोस्।

III थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन एकाइहरू, थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन घटकहरूको विशिष्ट अनुप्रयोग परिदृश्यहरू

थर्मोइलेक्ट्रिक कुलिङ युनिटहरूको सबैभन्दा ठूलो फाइदा भनेको तिनीहरूको ठोस-अवस्था प्रकृति, आवाज-रहित सञ्चालन, र सटीक तापक्रम नियन्त्रण हो। त्यसकारण, कम्प्रेसरहरू चिसो पार्नको लागि उपयुक्त नभएको अवस्थामा तिनीहरूको स्थान अपरिवर्तनीय हुन्छ।

उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्सको क्षेत्रमा

मोबाइल फोनको ताप घटाउने: उच्च-स्तरीय गेमिङ फोनहरू माइक्रो थर्मोइलेक्ट्रिक कुलिङ मोड्युलहरू, TEC मोड्युलहरू, पेल्टियर उपकरणहरू, पेल्टियर मोड्युलहरूले सुसज्जित हुन्छन्, जसले तरल कुलिङ प्रणालीहरूसँग संयोजनमा, चिपको तापक्रम द्रुत रूपमा कम गर्न सक्छ, जसले गेमिङको समयमा अत्यधिक तातो हुने कारणले हुने फ्रिक्वेन्सी घट्नबाट रोक्छ।

कार रेफ्रिजरेटरहरू, कार कूलरहरू: साना कार रेफ्रिजरेटरहरूले प्रायः थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग टेक्नोलोजी अपनाउँछन्, जसले कूलिंग र तताउने कार्यहरू संयोजन गर्दछ (वर्तमान दिशा स्विच गरेर ताप प्राप्त गर्न सकिन्छ)। तिनीहरू आकारमा सानो, कम ऊर्जा खपत, र कारको १२V पावर सप्लाईसँग उपयुक्त छन्।

पेय पदार्थ कुलिङ कप/इन्सुलेटेड कप: पोर्टेबल कुलिङ कपमा निर्मित माइक्रो कुलिङ प्लेट जडान गरिएको हुन्छ, जसले रेफ्रिजरेटरमा भर नपरिकनै पेय पदार्थहरूलाई ५ देखि १५ डिग्री सेल्सियसमा छिटो चिसो पार्न सक्छ।

२. चिकित्सा र जैविक क्षेत्रहरू

सटीक तापक्रम नियन्त्रण उपकरणहरू: जस्तै PCR उपकरणहरू (पोलिमरेज चेन प्रतिक्रिया उपकरणहरू) र रगत रेफ्रिजरेटरहरूलाई स्थिर कम-तापमान वातावरण चाहिन्छ। अर्धचालक प्रशीतन घटकहरूले ±0.1℃ भित्र सटीक तापक्रम नियन्त्रण प्राप्त गर्न सक्छन्, र रेफ्रिजरेन्ट प्रदूषणको कुनै जोखिम हुँदैन।

पोर्टेबल मेडिकल उपकरणहरू: जस्तै इन्सुलिन रेफ्रिजरेसन बक्सहरू, जुन आकारमा सानो हुन्छन् र लामो ब्याट्री लाइफ हुन्छ, मधुमेहका बिरामीहरूले बाहिर जाँदा बोक्न उपयुक्त हुन्छन्, जसले इन्सुलिनको भण्डारण तापक्रम सुनिश्चित गर्दछ।

लेजर उपकरणको तापक्रम नियन्त्रण: मेडिकल लेजर उपचार उपकरणहरू (जस्तै लेजरहरू) का मुख्य घटकहरू तापक्रमप्रति संवेदनशील हुन्छन्, र अर्धचालक शीतलन घटकहरूले उपकरणको स्थिर सञ्चालन सुनिश्चित गर्न वास्तविक समयमा तापलाई नष्ट गर्न सक्छन्।

३. औद्योगिक र एयरोस्पेस क्षेत्रहरू

औद्योगिक साना-स्तरीय रेफ्रिजरेसन उपकरणहरू: जस्तै इलेक्ट्रोनिक कम्पोनेन्ट एजिङ टेस्ट चेम्बरहरू र प्रेसिजन इन्स्ट्रुमेन्ट स्थिर तापक्रम बाथहरू, जसलाई स्थानीय कम-तापमान वातावरण चाहिन्छ, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग युनिटहरू, थर्मोइलेक्ट्रिक कम्पोनेन्टहरूलाई आवश्यकता अनुसार रेफ्रिजरेसन पावरसँग अनुकूलित गर्न सकिन्छ।

एयरोस्पेस उपकरण: अन्तरिक्ष यानमा रहेका इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूलाई भ्याकुम वातावरणमा ताप फैलाउन कठिनाइ हुन्छ। थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन प्रणाली, थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन एकाइहरू, थर्मोइलेक्ट्रिक कम्पोनेन्टहरू, ठोस-अवस्था उपकरणहरूको रूपमा, अत्यधिक भरपर्दो र कम्पन-रहित हुन्छन्, र उपग्रह र अन्तरिक्ष स्टेशनहरूमा इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको तापक्रम नियन्त्रणको लागि प्रयोग गर्न सकिन्छ।

४. अन्य उदीयमान परिदृश्यहरू

लगाउन मिल्ने उपकरणहरू: स्मार्ट कुलिङ हेलमेट र कुलिङ सुटहरू, निर्मित लचिलो थर्मोइलेक्ट्रिक कुलिङ प्लेटहरू सहित, उच्च-तापमान वातावरणमा मानव शरीरको लागि स्थानीय शीतलता प्रदान गर्न सक्छन् र बाहिरी कामदारहरूको लागि उपयुक्त छन्।

कोल्ड चेन रसद: थर्मोइलेक्ट्रिक कुलिङ, पेल्टियर कुलिङ र ब्याट्रीहरूद्वारा संचालित साना कोल्ड चेन प्याकेजिङ बक्सहरू ठूला रेफ्रिजेरेटेड ट्रकहरूमा भर नपरिकन खोप र ताजा उत्पादनहरूको छोटो दूरीको ढुवानीको लागि प्रयोग गर्न सकिन्छ।

IV. थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग युनिटहरू, पेल्टियर कूलिंग कम्पोनेन्टहरूको सीमितता र विकास प्रवृत्तिहरू

अवस्थित सीमाहरू

शीतलन दक्षता अपेक्षाकृत कम छ: यसको ऊर्जा दक्षता अनुपात (COP) सामान्यतया ०.३ र ०.८ को बीचमा हुन्छ, जुन कम्प्रेसर शीतलनको तुलनामा धेरै कम हुन्छ (COP २ देखि ५ सम्म पुग्न सक्छ), र ठूलो मात्रामा र उच्च क्षमताको शीतलन परिदृश्यहरूको लागि उपयुक्त छैन।

उच्च ताप अपव्यय आवश्यकताहरू: यदि ताप अपव्ययको छेउमा रहेको तापलाई समयमै डिस्चार्ज गर्न सकिएन भने, यसले शीतलन प्रभावलाई गम्भीर रूपमा असर गर्नेछ। त्यसकारण, यो एक कुशल ताप अपव्यय प्रणालीसँग सुसज्जित हुनुपर्छ, जसले केही कम्प्याक्ट परिदृश्यहरूमा अनुप्रयोगलाई सीमित गर्दछ।

उच्च लागत: उच्च-प्रदर्शन थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीहरू (जस्तै न्यानो-डोप्ड Bi₂Te₃) को तयारी लागत परम्परागत प्रशीतन सामग्रीहरूको भन्दा बढी हुन्छ, जसले गर्दा उच्च-अन्तका कम्पोनेन्टहरूको मूल्य तुलनात्मक रूपमा उच्च हुन्छ।

२. भविष्यको विकास प्रवृत्तिहरू

सामग्री सफलता: कोठा-तापमान ZT मान २.० भन्दा माथि बढाउने र कम्प्रेसर रेफ्रिजरेसनको साथ दक्षता अन्तरलाई कम गर्ने लक्ष्यका साथ कम लागत, उच्च-ZT मूल्य थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीहरू विकास गर्नुहोस्।

लचिलोपन र एकीकरण: घुमाउरो सतह उपकरणहरू (जस्तै लचिलो स्क्रिन मोबाइल फोन र स्मार्ट पहिरनयोग्य उपकरणहरू) मा अनुकूलन गर्न लचिलो थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मोड्युलहरू, TEC मोड्युलहरू, थर्मोइलेक्ट्रिक मोड्युलहरू, पेल्टियर उपकरणहरू, पेल्टियर मोड्युलहरू, पेल्टियर कूलरहरू विकास गर्नुहोस्; "चिप-स्तर तापक्रम नियन्त्रण" प्राप्त गर्न चिप्स र सेन्सरहरूसँग थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग घटकहरूको एकीकरणलाई प्रवर्द्धन गर्नुहोस्।

ऊर्जा बचत डिजाइन: इन्टरनेट अफ थिंग्स (आईओटी) प्रविधिलाई एकीकृत गरेर, शीतलन घटकहरूको बुद्धिमान स्टार्ट-स्टप र पावर नियमन प्राप्त गरिन्छ, जसले समग्र ऊर्जा खपत घटाउँछ।

V. सारांश

थर्मोइलेक्ट्रिक कुलिङ युनिटहरू, पेल्टियर कुलिङ युनिटहरू, थर्मोइलेक्ट्रिक कुलिङ सिस्टमहरू, ठोस-अवस्था, मौन र सटीक तापक्रम-नियन्त्रित हुने तिनीहरूको अद्वितीय फाइदाहरू सहित, उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स, चिकित्सा हेरचाह र एयरोस्पेस जस्ता क्षेत्रहरूमा महत्त्वपूर्ण स्थान ओगटेका छन्। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री प्रविधि र संरचनात्मक डिजाइनको निरन्तर स्तरोन्नतिसँगै, यसको शीतलन दक्षता र लागतका समस्याहरू बिस्तारै सुधार हुनेछन्, र यसले भविष्यमा थप विशिष्ट परिदृश्यहरूमा परम्परागत शीतलन प्रविधिलाई प्रतिस्थापन गर्ने अपेक्षा गरिएको छ।