ऊर्जा
अलविदा, रेफ्रिजरेंट्स! ठोस-स्थिति कूलिंग में नई अंतर्दृष्टियाँ इलेक्ट्रॉनिक्स में थर्मल आवश्यकताओं के प्रति हमारे दृष्टिकोण को बदल सकती हैं
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रेफ्रिजरेंट्स हमारे आधुनिक तकनीकी विश्व की सबसे प्रमुख विशेषताओं में से एक रहे हैं। रेफ्रिजरेंट्स की वजह से हम भोजन को संरक्षित कर सकते हैं, उसे एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जा सकते हैं, और नाश होने वाले सामान को अधिक समय तक उपभोग के लिए उपयोगी बना सकते हैं।
बाजार अनुमान के अनुसार, रेफ्रिजरेंट उत्पादों का बाजार बढ़ रहा है और बढ़ता रहेगा। उपलब्ध डेटा बताता है कि total value of refrigerant products worldwide 2022 में 20.05 बिलियन अमेरिकी डॉलर था, और यह 2030 तक 36.77 बिलियन अमेरिकी डॉलर तक बढ़ सकता है, जो आठ वर्षों में 1.8 गुना से अधिक है।
हालांकि, रेफ्रिजरेंट बाजार में वृद्धि यह संकेत नहीं देती कि उद्योग स्थिर हो रहा है। वास्तव में, बिक्री में वृद्धि और बाजार विस्तार नवाचार को रोकते नहीं हैं। इसके बजाय, यह वृद्धि अक्सर नई तकनीकों और दृष्टिकोणों के विकास को प्रेरित करती है। ऊर्जा विभाग के ओक रिज़ राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा किए गए एक हालिया शोध ने एक नई वैज्ञानिक समझ प्रदान की है जो ठोस-स्थिति कूलिंग को हासिल करने में मदद कर सकती है।
अगले भागों में, हम इस घटना को बेहतर समझने के लिए गहराई से अध्ययन करेंगे।
ठोस-स्थिति कूलिंग का परिवर्तनकारी सिद्धांत
शोधकर्ताओं की टीम की प्रमुख उपलब्धि एटॉमिक-स्तर के ताप गति के विज्ञान में ज्ञान अंतर को पाटना रही है। अधिक व्यावहारिक स्तर पर, इस शोध की सफलता सामग्री और उपकरणों की गहरी समझ पर निर्भर करती है।
इस मामले में, सामग्री एक निकेल-कोबाल्ट-मैंगनीज़-इंडियम चुंबकीय आकार-स्मृति मिश्रधातु है जिसे विकृत किया जा सकता है और फिर तापमान बढ़ाकर या चुंबकीय क्षेत्र लागू करके चरण परिवर्तन के माध्यम से मूल आकार में वापस लाया जा सकता है।
दूसरी ओर, उपकरण में न्यूट्रॉन-स्कैटरिंग उपकरणों का एक समूह शामिल है जो सामग्री को एटॉमिक स्तर पर जांच सकता है।
कैसे यह सामग्री ठोस-स्थिति कूलिंग के लिए एक आदर्श उम्मीदवार के रूप में उभरी
प्रयोग ने दिखाया कि nickel-cobalt-manganese-indium magnetic shape-memory alloy को एक चरण परिवर्तन के माध्यम से चलाया जा सकता है तापमान बढ़ाकर या चुंबकीय क्षेत्र लागू करके।
जब इसे एक चुंबकीय क्षेत्र के अधीन किया गया, तो सामग्री ने एक संरचनात्मक और चुंबकीय चरण परिवर्तन अनुभव किया: यह गर्मी को अवशोषित और रिलीज़ करता है, सरल शब्दों में। यह प्रभाव ठोस-स्थिति कूलिंग की घटना का मूल है। दूसरे शब्दों में, ठोस-स्थिति कूलिंग इस प्रभाव को उपयोग करके रेफ्रिजरेशन प्रदान करती है।
इस कूलिंग तंत्र में, सामग्री वह फेरोइक ग्लासी स्थिति प्राप्त करती है, जो उसकी गर्मी को संग्रहीत और रिलीज़ करने की क्षमता को बढ़ाती है।
प्रयोग के पीछे के विज्ञान को विस्तार से बताते हुए, ORNL के न्यूट्रॉन और एक्स-रे स्कैटरिंग समूह के वरिष्ठ शोधकर्ता माइकल मैनली ने निम्नलिखित कहा:
“न्यूट्रॉन स्कैटरिंग दिखाता है कि स्थानीय मैग्नॉन-फोनॉन हाइब्रिड मोड्स में निहित गर्मी के कारण, जो प्रणाली में अव्यवस्था के कारण बनते हैं, चुंबकीय आकार-स्मृति मिश्रधातु की कूलिंग क्षमता तीन गुना हो जाती है। यह खोज सामाजिक आवश्यकताओं के लिए ठोस-स्थिति कूलिंग अनुप्रयोगों के लिए बेहतर सामग्री बनाने का मार्ग दर्शाती है।”
मैग्नॉन-फोनॉन हाइब्रिड मोड्स
मैग्नॉन्स और फोनॉन्स को क्रमशः स्पिन वेव्स और कंपन कहा जाता है। वे सामग्री में एक जोड़े के रूप में छोटे क्षेत्रों में समन्वित नृत्य रूप में मौजूद होते हैं, जो परमाणुओं की अव्यवस्थित व्यवस्था में वितरित होते हैं। मैग्नॉन-फोनॉन हाइब्रिड मोड्स का क्षेत्रीय व्यवहार पैटर्न सामग्री की थर्मल गुणों पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालता है।
इन हाइब्रिड मोड्स और उनके आंदोलनों के प्रभावों को समझाते हुए, मैनली ने आगे कहा:
“दीर्घ- और अल्प-रेंज अंतःक्रियाएँ स्थानीयकृत कंपन और स्पिन वेव्स के रूप में प्रकट होती हैं, जिसका अर्थ है कि वे छोटे क्षेत्रों में फँस रहे हैं। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि ये अतिरिक्त स्थानीयकृत कंपन स्थितियाँ गर्मी को संग्रहीत करती हैं। चुंबकीय क्षेत्र बदलने से एक और चरण परिवर्तन ट्रिगर होता है जिसमें यह गर्मी रिलीज़ होती है।”
समग्र रूप से, प्रयोग ने ठोस-स्थिति कूलिंग अनुसंधान में एक नया क्षेत्र खोला है यह दिखाकर कि चुंबकीय-आकार स्मृति मिश्रधातु के कार्यों का उचित नियंत्रण इसे एक हीट स्पंज बना सकता है और इसे पारंपरिक रेफ्रिजरेंट्स या यांत्रिक घटकों की आवश्यकता के बिना प्रभावी ठोस-स्थिति कूलिंग के लिए तैयार कर सकता है।
जबकि यह शोध निश्चित रूप से एक突破 है, हमें हमेशा याद रखना चाहिए कि ठोस-स्थिति कूलिंग कोई नया सिद्धांत नहीं है। सिद्धांत रूप में, यह घटना 1834 से मौजूद है, जब फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी जीन चार्ल्स अथनास पेल्टियर ने पेल्टियर प्रभाव की खोज की थी।
आने वाले भाग में, हम पेल्टियर प्रभाव और थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर्स की घटना को संक्षेप में देखेंगे जो पेल्टियर प्रभाव का उपयोग करते हैं।
ठोस-स्थिति कूलिंग और थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर्स की उत्पत्ति
वैज्ञानिक रूप से, पेल्टियर प्रभाव को “एक ऐसी घटना के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसमें एक चालक, जो स्थिर तापमान पर बना रहता है और जिसमें विद्युत धारा बह रही होती है, एक थर्मल धारा उत्पन्न करता है। यह थर्मल धारा विद्युत धारा द्वारा उत्पन्न गर्मी को हटाने में मदद करती है।”
दूसरे शब्दों में, पेल्टियर प्रभाव तब उत्पन्न होता है जब दो सामग्रियों को जोड़ने वाले जंक्शन में बहने वाली विद्युत धारा समय के प्रति इकाई पर गर्मी को उत्सर्जित या अवशोषित करती है ताकि दो सामग्रियों के रासायनिक संभावित अंतर को संतुलित किया जा सके।T
पेल्टियर प्रभाव एक इलेक्ट्रॉनिक रेफ्रिजरेटर बनाने में मदद करता है जिसे पेल्टियर कूलर कहा जाता है। पेल्टियर उपकरणों को थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर्स भी कहा जाता है जो बिस्मथ टेल्यूराइड से बने अर्धचालक सामग्रियों की एक श्रृंखला से मिलकर बनते हैं, जो श्रृंखला में जुड़े होते हैं और दो सिरेमिक प्लेटों के बीच रखे जाते हैं।
जब एक TEC में प्रत्यक्ष धारा प्रवाहित की जाती है, तो अर्धचालक सामग्री में इलेक्ट्रॉन गर्म पक्ष से ठंडे पक्ष की ओर चलते हैं, साथ में गर्मी ले जाते हुए, जिससे उपकरण का एक पक्ष ठंडा हो जाता है जबकि दूसरा पक्ष गर्म हो जाता है।
वैज्ञानिक समुदाय अभी भी ठोस-स्थिति कूलिंग की घटना पर विचार कर रहा है और इसे खोजने में रुचि रखता है क्योंकि इसके कई लाभ और वास्तविक जीवन में उपयोग हैं। हम इन लाभों और उपयोगों को आगे के भागों में देखेंगे।
ठोस-स्थिति कूलिंग के कई लाभ और अनुप्रयोग
ठोस-स्थिति कूलिंग पारंपरिक रेफ्रिजरेशन सिस्टमों की तुलना में अधिक ऊर्जा-कुशल हो सकती है क्योंकि यह विद्युत ऊर्जा का अधिक प्रतिशत कूलिंग शक्ति में बदलने में सक्षम है।
वे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों, जैसे सोलर पैनल, के साथ अधिक एकीकृत-समर्थ हैं। कम कार्बन फुटप्रिंट होने के अलावा, ठोस-स्थिति कूलिंग ओज़ोन क्षरण में योगदान नहीं देती और इसलिए रेफ्रिजरेंट या अन्य द्रव-आधारित कूलिंग तकनीकों की तुलना में अधिक पर्यावरण-अनुकूल है।
ठोस-स्थिति कूलिंग विश्वसनीयता और टिकाऊपन के पहलुओं में भी उच्च अंक प्राप्त करती है। क्योंकि इसमें कोई चलती हुई भाग या परिसंचारी द्रव नहीं होते, यह यांत्रिक विफलता कम अनुभव करती है और कम रखरखाव की आवश्यकता होती है। कई उपभोक्ता उपकरण ठोस-स्थिति कूलिंग तकनीक का उपयोग कर सकते हैं।
ऐसे कुछ उपकरण उदाहरणों में रेफ्रिजरेटर, एयर कंडीशनर, या वाइन कूलर शामिल हैं। इलेक्ट्रिक और हाइब्रिड वाहनों में बैटरियों और अन्य घटकों को ठंडा करने के लिए ठोस-स्थिति कूलिंग के उपयोग पर चर्चा बढ़ रही है। यह बेहतर प्रदर्शन और बढ़ी हुई रेंज में योगदान दे सकता है।
एक ठोस-स्थिति कूलिंग तंत्र को आधुनिक वाहनों में वैकल्पिक केबिन कूलिंग सिस्टम के रूप में भी उपयुक्त माना जाता है। एक वैज्ञानिक अध्ययन ने ऑटोमोबाइल में ठोस-स्थिति कूलिंग का उपयोग करने वाले एयर कंडीशनिंग सिस्टम की व्यवहार्यता की जांच की। परिणामों से पता चला कि छोटे और लचीले TE कूलिंग उपकरणों को लागू करने से एक प्रभावी ऑटोमोटिव एयर कंडीशनिंग सिस्टम के अधिक विकल्प उपलब्ध हुए।
अध्ययन ने केबिन में समान वायु प्रवाह प्रदान करके बेहतर मानव आराम के लिए निर्मित स्थानीय TE कूलिंग की वेग और तापमान प्रोफ़ाइल की भी जांच की। अनुमानित लगभग 9% सुधार था प्राप्त हुआ जब इस व्यवस्था की तुलना मानव आराम के संदर्भ में पारंपरिक रेफ्रिजरेशन सिस्टम से की गई।
कई लाभ और ठोस-स्थिति कूलिंग के अनुप्रयोगों ने कंपनियों को ठोस-स्थिति कूलिंग तकनीकों और विधियों में अनुसंधान और संसाधनों में निवेश करने के लिए प्रेरित किया है।
आने वाले भागों में, हम कुछ ऐसी कंपनियों और उनके विशिष्ट समाधान पर चर्चा करेंगे।
#1. CUI Devices
CUI Devices अपने पेल्टियर उपकरणों की श्रृंखला के लिए जाना जाता है। यह एकल-स्तर पेल्टियर मॉड्यूल, बहु-स्तर पेल्टियर मॉड्यूल, और पेल्टियर कूलिंग यूनिट्स का पोर्टफोलियो प्रदान करता है।
उदाहरण के लिए, CPM-2F 6.0 Amp पेल्टियर कूलिंग यूनिट में जल प्रतिरोध और थर्मल तनाव अवशोषण के लिए एक उन्नत सील संरचना है। इसे आसानी से स्थापित किया जा सकता है और यह उच्च-घनत्व, उच्च-शक्ति औद्योगिक अनुप्रयोगों और रेफ्रिजरेशन की आवश्यकताओं को आदर्श रूप से पूरा करता है।
कंपनी के पास दो और वैरिएंट, CPM-2C और CPM-2H, भी हैं, जो क्रमशः 7 और 8.5 Amp के स्केल पर इष्टतम सेवाएँ प्रदान करते हैं।
यदि हम इस क्षेत्र में CUI Devices के समग्र उत्पाद प्रोफ़ाइल को देखें, तो इसमें एकल-स्तर और बहु-स्तर पेल्टियर मॉड्यूल के साथ पेल्टियर कूलिंग यूनिट्स की एक श्रृंखला है, जिनका आकार 3.4 से 70 मिमी तक है और प्रोफ़ाइल न्यूनतम 1.95 मिमी है, तथा करंट रेटिंग 0.7 से 20 A और तापमान डेल्टा 70 से 105°C तक है। कंपनी अपने उत्पादों की बेहतर विश्वसनीयता, श्रेष्ठ प्रदर्शन, और उन्नत साइकिल जीवन की प्रशंसा करती है।
CUI Devices, headquartered in Tualatin, Oregon, United States, एक इलेक्ट्रॉनिक घटक निर्माता है जो इंटरकनेक्ट, ऑडियो, थर्मल मैनेजमेंट, मोशन, और सेंसर समाधान प्रदान करता है। अक्टूबर 2023 में, CUI Devices के थर्मल मैनेजमेंट समूह ने एक thermal design service लॉन्च की ताकि संभावित हॉटस्पॉट की पहचान की जा सके, वायु प्रवाह को अनुकूलित किया जा सके, और ग्राहक की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार प्रभावी कूलिंग सिस्टम डिजाइन किए जा सकें।
#2. Coherent Corp
Coherent Corp (COHR ) के कूलिंग सिस्टम औद्योगिक और टेलीकॉम समाधान की एक श्रृंखला प्रदान करते हैं, जिसमें मानक और अनुकूलित फॉर्मेट शामिल हैं, सभी एक सामान्य “कोर” के चारों ओर निर्मित हैं जो कुशल TEC उपकरणों पर आधारित है। TEC उपकरणों के अलावा, यह कोर हीट/कोल्ड सिंक, थर्मिस्टर/RTD, और वायरिंग हार्नेस को भी एकीकृत करता है।
Coherent के सबसे प्रसिद्ध ठोस-स्थिति कूलिंग तकनीक उत्पादों में से एक है Climatherm (CTA) एयर-टू-एयर कूलिंग सिस्टम। कंपनी की ठोस-स्थिति TEC कूलिंग तकनीक पर आधारित यह समाधान हल्के और कॉम्पैक्ट पैकेज में 250 W तक की कूलिंग शक्ति के साथ ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स को अत्यधिक परिस्थितियों से बचाता है।
उत्पाद के कूलर RoHS EU-अनुपालन, कॉम्पैक्ट, हल्के डिजाइन के साथ आते हैं और अत्यधिक कुशल गर्मी स्थानांतरण प्रदान करते हैं। सामान्य अनुप्रयोगों में इलेक्ट्रॉनिक एन्क्लोजर कूलिंग, खाद्य और पेय संग्रह, बैटरी कैबिनेट कूलिंग, और प्रयोगशाला उपकरण शामिल हैं।
COHR मूल्य चार्ट
उपलब्ध नवीनतम वित्तीय रिकॉर्ड के अनुसार, कंपनी ने 30 जून 2023 को समाप्त वर्ष के लिए US$5.16 बिलियन की वार्षिक आय दर्ज की। यह पिछले वर्ष, 30 जून 2022 को समाप्त वर्ष के US$3.317 बिलियन के रिकॉर्ड की तुलना में एक महत्वपूर्ण वृद्धि थी।
ठोस-स्थिति कूलिंग का भविष्य
साफ़ शब्दों में कहें तो, ठोस-स्थिति कूलिंग का भविष्य निस्संदेह आशाजनक दिखता है। विश्व भर के वैज्ञानिक और वाणिज्यिक प्रौद्योगिकी समुदायों ने इसकी क्षमता को समझा है कि यह वैश्विक गर्मी और जलवायु परिवर्तन की चुनौतियों का सीधे सामना कर सकता है।
अनुभवी और स्थापित नामों के अलावा, Phononic जैसी नवाचारी कंपनियां उभरी हैं। उनका ठोस-स्थिति कूलिंग, रेफ्रिजरेशन, और HVAC नवाचार केवल पानी को प्राकृतिक रूप से उपलब्ध CO2 के साथ मिलाकर उपयोग करता है, जिसका GWP केवल 1 है, जो उद्योग में सबसे कम GWP रेटिंग प्रदान करता है। यहाँ, GWP का अर्थ ग्लोबल वार्मिंग पोटेंशियल है।
Phononic मानता है कि उसका ठोस-स्थिति डिज़ाइन ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करने, यूएन जलवायु लक्ष्यों का समर्थन करने, और बाजार की मांगपूर्ण प्रदर्शन आवश्यकताओं को पूरा करने का एक रोमांचक नया तरीका प्रस्तुत करने की क्षमता रखता है।
हालांकि, भविष्य में इलेक्ट्रॉनिक्स में थर्मल आवश्यकताओं को प्रभावी ढंग से पूरा करने के लिए ठोस-स्थिति कूलिंग को कुछ चुनौतियों का सामना करना पड़ेगा। इसे किफायती बनना होगा, क्योंकि थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की लागत पारंपरिक कूलिंग सिस्टम की तुलना में उल्लेखनीय रूप से अधिक हो सकती है। इस चुनौती को हल करने के लिए शोधकर्ताओं को वैकल्पिक सामग्रियों और अधिक लागत-प्रभावी निर्माण प्रक्रियाओं की खोज में अधिक सक्रिय और त्वरित रूप से काम करना होगा।
कोर में ठोस-स्थिति कूलिंग के साथ उत्पादन को स्केल अप करना भी एक दक्षता चुनौती का सामना करेगा क्योंकि थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री कुछ अनुप्रयोगों में अभी भी पारंपरिक वेपर-कम्प्रेशन सिस्टम से पीछे हैं। वैज्ञानिकों को थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की दक्षता बढ़ाने के तरीकों की खोज के लिए अधिक कठोर परीक्षण करने होंगे।
अंत में, ठोस-स्थिति कूलिंग सिस्टम को अपने थर्मल मैनेजमेंट प्रोफ़ाइल को सुधारना होगा ताकि वे थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर के गर्म पक्ष पर उत्पन्न गर्मी को प्रभावी ढंग से विसर्जित कर सकें। यह सिस्टम के इष्टतम प्रदर्शन को बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण है।
वैश्विक स्तर पर, शोधकर्ताओं ने ठोस-स्थिति कूलिंग के लाभों को समझा है। वे नई सामग्रियों और प्रदर्शन सुधार तकनीकों की जांच कर रहे हैं। आशा है कि हम जल्द ही औद्योगिक और वाणिज्यिक उपयोग मामलों में ठोस-स्थिति कूलिंग को अधिक अपनाते देखेंगे।
