થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ યુનિટ્સ, થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ સિસ્ટમ્સનો વિકાસ અને ઉપયોગ

થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ યુનિટ, પેલ્ટિયર કૂલર (જેને થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ કમ્પોનન્ટ્સ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) એ પેલ્ટિયર ઇફેક્ટ પર આધારિત સોલિડ-સ્ટેટ કૂલિંગ ડિવાઇસ છે. તેમાં કોઈ યાંત્રિક ગતિવિધિ, કોઈ રેફ્રિજન્ટ નહીં, નાનું કદ, ઝડપી પ્રતિભાવ અને ચોક્કસ તાપમાન નિયંત્રણના ફાયદા છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, ગ્રાહક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ, તબીબી સંભાળ, ઓટોમોબાઇલ્સ અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં તેમનો ઉપયોગ સતત વિસ્તરતો રહ્યો છે.

I. થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ સિસ્ટમ અને ઘટકોના મુખ્ય સિદ્ધાંતો

થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગનો મુખ્ય ભાગ પેલ્ટિયર અસર છે: જ્યારે બે અલગ અલગ સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સ (પી-ટાઇપ અને એન-ટાઇપ) થર્મોકપલ જોડી બનાવે છે અને ડાયરેક્ટ કરંટ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે થર્મોકપલ જોડીનો એક છેડો ગરમી શોષી લેશે (ઠંડકનો અંત), અને બીજો છેડો ગરમી છોડશે (ગરમીનો વિસર્જન અંત). કરંટની દિશા બદલીને, કૂલિંગ એન્ડ અને હીટ ડિસીપેશન એન્ડને એકબીજા સાથે જોડી શકાય છે.

તેની ઠંડક કામગીરી મુખ્યત્વે ત્રણ મુખ્ય પરિમાણો પર આધાર રાખે છે:

થર્મોઇલેક્ટ્રિક ગુણાંક (ZT મૂલ્ય) : થર્મોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીના પ્રદર્શનનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે તે એક મુખ્ય સૂચક છે. ZT મૂલ્ય જેટલું ઊંચું હશે, તેટલી ઠંડક કાર્યક્ષમતા વધારે હશે.

ગરમ અને ઠંડા છેડા વચ્ચે તાપમાનનો તફાવત: ગરમીના વિસર્જનના છેડા પર ગરમીના વિસર્જનની અસર સીધી રીતે ઠંડકના છેડા પર ઠંડક ક્ષમતા નક્કી કરે છે. જો ગરમીનું વિસર્જન સરળ ન હોય, તો ગરમ અને ઠંડા છેડા વચ્ચે તાપમાનનો તફાવત સંકુચિત થશે, અને ઠંડક કાર્યક્ષમતામાં તીવ્ર ઘટાડો થશે.

કાર્યકારી પ્રવાહ: રેટેડ શ્રેણીની અંદર, પ્રવાહમાં વધારો ઠંડક ક્ષમતામાં વધારો કરે છે. જો કે, એકવાર થ્રેશોલ્ડ ઓળંગાઈ જાય, તો જૌલ ગરમીમાં વધારો થવાને કારણે કાર્યક્ષમતા ઘટશે.

II થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ યુનિટ્સ (પેલ્ટિયર કૂલિંગ સિસ્ટમ) ના વિકાસ ઇતિહાસ અને તકનીકી પ્રગતિઓ

તાજેતરના વર્ષોમાં, થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ ઘટકોના વિકાસમાં બે મુખ્ય દિશાઓ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવામાં આવ્યું છે: સામગ્રી નવીનતા અને માળખાકીય ઑપ્ટિમાઇઝેશન.

ઉચ્ચ-પ્રદર્શન થર્મોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીનું સંશોધન અને વિકાસ

ડોપિંગ (જેમ કે Sb, Se) અને નેનોસ્કેલ ટ્રીટમેન્ટ દ્વારા પરંપરાગત Bi₂Te₃-આધારિત સામગ્રીનું ZT મૂલ્ય 1.2-1.5 સુધી વધારવામાં આવ્યું છે.

લીડ ટેલ્યુરાઇડ (PbTe) અને સિલિકોન-જર્મેનિયમ એલોય (SiGe) જેવા નવા પદાર્થો મધ્યમ અને ઉચ્ચ-તાપમાન પરિસ્થિતિઓમાં (200 થી 500℃) અપવાદરૂપે સારું પ્રદર્શન કરે છે.

કાર્બનિક-અકાર્બનિક સંયુક્ત થર્મોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રી અને ટોપોલોજીકલ ઇન્સ્યુલેટર જેવી નવી સામગ્રી ખર્ચમાં વધુ ઘટાડો કરશે અને કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરશે તેવી અપેક્ષા છે.

ઘટક રચના ઑપ્ટિમાઇઝેશન

લઘુચિત્રીકરણ ડિઝાઇન: ગ્રાહક ઇલેક્ટ્રોનિક્સની લઘુચિત્રીકરણ જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરવા માટે MEMS (માઇક્રો-ઇલેક્ટ્રો-મિકેનિકલ સિસ્ટમ્સ) ટેકનોલોજી દ્વારા માઇક્રોન-સ્કેલ થર્મોપાઇલ્સ તૈયાર કરો.

મોડ્યુલર ઇન્ટિગ્રેશન: ઔદ્યોગિક-ગ્રેડ થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરતા હાઇ-પાવર થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ મોડ્યુલ્સ, પેલ્ટિયર કૂલર્સ, પેલ્ટિયર ડિવાઇસ બનાવવા માટે શ્રેણી અથવા સમાંતરમાં બહુવિધ થર્મોઇલેક્ટ્રિક યુનિટ્સને જોડો.

સંકલિત ગરમીનું વિસર્જન માળખું: ગરમીના વિસર્જનની કાર્યક્ષમતા વધારવા અને એકંદર વોલ્યુમ ઘટાડવા માટે કૂલિંગ ફિન્સને ગરમીના વિસર્જન ફિન્સ અને હીટ પાઇપ સાથે એકીકૃત કરો.

III થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ યુનિટ્સ, થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ ઘટકોના લાક્ષણિક એપ્લિકેશન દૃશ્યો

થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ યુનિટ્સનો સૌથી મોટો ફાયદો તેમની ઘન-અવસ્થા, અવાજ-મુક્ત કામગીરી અને ચોક્કસ તાપમાન નિયંત્રણમાં રહેલો છે. તેથી, તેઓ એવી પરિસ્થિતિઓમાં અનિવાર્ય સ્થાન ધરાવે છે જ્યાં કોમ્પ્રેસર ઠંડક માટે યોગ્ય નથી.

કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં

મોબાઇલ ફોન ગરમીનું વિસર્જન: હાઇ-એન્ડ ગેમિંગ ફોન માઇક્રો થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ મોડ્યુલ્સ, TEC મોડ્યુલ્સ, પેલ્ટિયર ડિવાઇસ, પેલ્ટિયર મોડ્યુલ્સથી સજ્જ છે, જે લિક્વિડ કૂલિંગ સિસ્ટમ્સ સાથે સંયોજનમાં, ચિપ તાપમાનને ઝડપથી ઘટાડી શકે છે, ગેમિંગ દરમિયાન ઓવરહિટીંગને કારણે ફ્રીક્વન્સી ઘટાડાને અટકાવે છે.

કાર રેફ્રિજરેટર્સ, કાર કુલર્સ: નાના કાર રેફ્રિજરેટર્સ મોટાભાગે થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ ટેકનોલોજી અપનાવે છે, જે ઠંડક અને ગરમીના કાર્યોને જોડે છે (વર્તમાન દિશા બદલીને ગરમી પ્રાપ્ત કરી શકાય છે). તે કદમાં નાના, ઉર્જા વપરાશમાં ઓછા અને કારના 12V પાવર સપ્લાય સાથે સુસંગત છે.

બેવરેજ કૂલિંગ કપ/ઇન્સ્યુલેટેડ કપ: પોર્ટેબલ કૂલિંગ કપ બિલ્ટ-ઇન માઇક્રો કૂલિંગ પ્લેટથી સજ્જ છે, જે રેફ્રિજરેટર પર આધાર રાખ્યા વિના પીણાંને ઝડપથી 5 થી 15 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી ઠંડુ કરી શકે છે.

2. તબીબી અને જૈવિક ક્ષેત્રો

ચોક્કસ તાપમાન નિયંત્રણ સાધનો: જેમ કે પીસીઆર સાધનો (પોલિમરેઝ ચેઇન રિએક્શન સાધનો) અને બ્લડ રેફ્રિજરેટર્સ, માટે સ્થિર નીચા-તાપમાન વાતાવરણની જરૂર પડે છે. સેમિકન્ડક્ટર રેફ્રિજરેશન ઘટકો ±0.1℃ ની અંદર ચોક્કસ તાપમાન નિયંત્રણ પ્રાપ્ત કરી શકે છે, અને રેફ્રિજરન્ટ દૂષણનું કોઈ જોખમ નથી.

પોર્ટેબલ મેડિકલ ડિવાઇસ: જેમ કે ઇન્સ્યુલિન રેફ્રિજરેશન બોક્સ, જે કદમાં નાના હોય છે અને લાંબી બેટરી લાઇફ ધરાવે છે, ડાયાબિટીસના દર્દીઓ માટે બહાર જતી વખતે લઈ જવા માટે યોગ્ય છે, જે ઇન્સ્યુલિનના સંગ્રહ તાપમાનને સુનિશ્ચિત કરે છે.

લેસર સાધનોનું તાપમાન નિયંત્રણ: તબીબી લેસર સારવાર ઉપકરણો (જેમ કે લેસર) ના મુખ્ય ઘટકો તાપમાન પ્રત્યે સંવેદનશીલ હોય છે, અને સેમિકન્ડક્ટર કૂલિંગ ઘટકો વાસ્તવિક સમયમાં ગરમીને દૂર કરી શકે છે જેથી સાધનોનું સ્થિર સંચાલન સુનિશ્ચિત થાય.

૩. ઔદ્યોગિક અને અવકાશ ક્ષેત્રો

ઔદ્યોગિક નાના પાયે રેફ્રિજરેશન સાધનો: જેમ કે ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટક વૃદ્ધત્વ પરીક્ષણ ચેમ્બર અને ચોકસાઇ સાધન સતત તાપમાન સ્નાન, જેને સ્થાનિક નીચા-તાપમાન વાતાવરણની જરૂર હોય છે, થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ યુનિટ્સ, થર્મોઇલેક્ટ્રિક ઘટકોને જરૂર મુજબ રેફ્રિજરેશન પાવર સાથે કસ્ટમાઇઝ કરી શકાય છે.

એરોસ્પેસ સાધનો: અવકાશયાનમાં ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોને શૂન્યાવકાશ વાતાવરણમાં ગરમીનું વિસર્જન કરવામાં મુશ્કેલી પડે છે. થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ સિસ્ટમ્સ, થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ યુનિટ્સ, થર્મોઇલેક્ટ્રિક ઘટકો, સોલિડ-સ્ટેટ ઉપકરણો તરીકે, ખૂબ જ વિશ્વસનીય અને કંપન-મુક્ત છે, અને ઉપગ્રહો અને અવકાશ મથકોમાં ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોના તાપમાન નિયંત્રણ માટે તેનો ઉપયોગ કરી શકાય છે.

૪. અન્ય ઉભરતા દૃશ્યો

પહેરવા યોગ્ય ઉપકરણો: સ્માર્ટ કૂલિંગ હેલ્મેટ અને કૂલિંગ સુટ્સ, જેમાં બિલ્ટ-ઇન ફ્લેક્સિબલ થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ પ્લેટ્સ છે, તે ઉચ્ચ-તાપમાન વાતાવરણમાં માનવ શરીર માટે સ્થાનિક ઠંડક પ્રદાન કરી શકે છે અને બહાર કામ કરતા કામદારો માટે યોગ્ય છે.

કોલ્ડ ચેઇન લોજિસ્ટિક્સ: થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ, પેલ્ટિયર કૂલિંગ અને બેટરી દ્વારા સંચાલિત નાના કોલ્ડ ચેઇન પેકેજિંગ બોક્સનો ઉપયોગ મોટા રેફ્રિજરેટેડ ટ્રક પર આધાર રાખ્યા વિના રસી અને તાજા ઉત્પાદનોના ટૂંકા અંતરના પરિવહન માટે કરી શકાય છે.

IV. થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ યુનિટ્સ, પેલ્ટિયર કૂલિંગ ઘટકોની મર્યાદાઓ અને વિકાસ વલણો

હાલની મર્યાદાઓ

ઠંડક કાર્યક્ષમતા પ્રમાણમાં ઓછી છે: તેનો ઉર્જા કાર્યક્ષમતા ગુણોત્તર (COP) સામાન્ય રીતે 0.3 અને 0.8 ની વચ્ચે હોય છે, જે કોમ્પ્રેસર કૂલિંગ (COP 2 થી 5 સુધી પહોંચી શકે છે) કરતા ઘણો ઓછો છે, અને તે મોટા પાયે અને ઉચ્ચ-ક્ષમતાવાળા ઠંડકના દૃશ્યો માટે યોગ્ય નથી.

ઉચ્ચ ગરમીના વિસર્જનની આવશ્યકતાઓ: જો ગરમીના વિસર્જનના છેડે ગરમીને સમયસર ડિસ્ચાર્જ ન કરી શકાય, તો તે ઠંડકની અસરને ગંભીર અસર કરશે. તેથી, તે કાર્યક્ષમ ગરમીના વિસર્જન પ્રણાલીથી સજ્જ હોવું જોઈએ, જે કેટલાક કોમ્પેક્ટ પરિસ્થિતિઓમાં એપ્લિકેશનને મર્યાદિત કરે છે.

ઊંચી કિંમત: ઉચ્ચ-પ્રદર્શન થર્મોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રી (જેમ કે નેનો-ડોપેડ Bi₂Te₃) ની તૈયારીનો ખર્ચ પરંપરાગત રેફ્રિજરેશન સામગ્રી કરતા વધારે છે, જેના પરિણામે ઉચ્ચ-અંતિમ ઘટકોની કિંમત પ્રમાણમાં ઊંચી હોય છે.

2. ભવિષ્યના વિકાસના વલણો

સામગ્રીમાં સફળતા: રૂમ-તાપમાન ZT મૂલ્યને 2.0 થી વધુ વધારવા અને કોમ્પ્રેસર રેફ્રિજરેશન સાથે કાર્યક્ષમતાના તફાવતને ઘટાડવાના ધ્યેય સાથે ઓછી કિંમતની, ઉચ્ચ-ZT મૂલ્યવાળી થર્મોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીનો વિકાસ કરો.

સુગમતા અને એકીકરણ: વક્ર સપાટી ઉપકરણો (જેમ કે લવચીક સ્ક્રીન મોબાઇલ ફોન અને સ્માર્ટ પહેરી શકાય તેવા ઉપકરણો) ને અનુકૂલન કરવા માટે લવચીક થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ મોડ્યુલ્સ, TEC મોડ્યુલ્સ, થર્મોઇલેક્ટ્રિક મોડ્યુલ્સ, પેલ્ટિયર ડિવાઇસ, પેલ્ટિયર મોડ્યુલ્સ, પેલ્ટિયર કૂલર્સ વિકસાવો; "ચિપ-સ્તર તાપમાન નિયંત્રણ" પ્રાપ્ત કરવા માટે ચિપ્સ અને સેન્સર સાથે થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ ઘટકોના એકીકરણને પ્રોત્સાહન આપો.

ઊર્જા બચત ડિઝાઇન: ઇન્ટરનેટ ઓફ થિંગ્સ (iOT) ટેકનોલોજીને એકીકૃત કરીને, ઠંડક ઘટકોનું બુદ્ધિશાળી સ્ટાર્ટ-સ્ટોપ અને પાવર નિયમન પ્રાપ્ત થાય છે, જે એકંદર ઊર્જા વપરાશ ઘટાડે છે.

V. સારાંશ

થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ યુનિટ્સ, પેલ્ટિયર કૂલિંગ યુનિટ્સ, થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ સિસ્ટમ્સ, સોલિડ-સ્ટેટ, સાયલન્ટ અને ચોક્કસ તાપમાન-નિયંત્રિત હોવાના તેમના અનન્ય ફાયદાઓ સાથે, ગ્રાહક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ, તબીબી સંભાળ અને એરોસ્પેસ જેવા ક્ષેત્રોમાં મહત્વપૂર્ણ સ્થાન ધરાવે છે. થર્મોઇલેક્ટ્રિક મટિરિયલ ટેકનોલોજી અને માળખાકીય ડિઝાઇનના સતત અપગ્રેડ સાથે, તેની ઠંડક કાર્યક્ષમતા અને ખર્ચના મુદ્દાઓ ધીમે ધીમે સુધરશે, અને ભવિષ્યમાં વધુ ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં તે પરંપરાગત ઠંડક તકનીકને બદલે તેવી અપેક્ષા છે.