رک خنک کننده میکروتیوب، دستاورد برتر دوره دوم متوسطه فرزانگان 1 در بخش سمینار

دوازدهمین دوره از پروژه های دانش آموزی تبیان نیز با یاری خداوند و حضور پر شور شما دوستان و علاقمندان به پایان رسید.

در این دوره از جشنواره تعداد 126  گروه در بخش های سمینار های علمی، غرفه های نمایشگاهی و مسابقات به عنوان گروه های برتر، برگزیده و معرفی شدند.

بر آن شدیم تا با معرفی پروژه های گروه های برتر علاوه بر قدردانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده پروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم.

مقطع: دوره دوم متوسطه

موضوع: رک خنک کننده میکروتیوب

نام مدرسه: دبیرستان فرزانگان 1

نام استاد: آقای حسن امامی

دانش آموزان: روژینا نیک فرمان،‌ مینا قیاسی

مقدمه:

المان  سرد کننده یا TEC، قطعه ای الکترونیکی متشکل از تعدادی نیمه هادی نوع N و نیمه هادی نوع P است که بوسیله یبه یکدیگر متصل شده اند.TEC مخفف ThermoElectric Cooling است. TEC ها با استفاده از اثر پلتیر  (Peltier) بین دو طرف قطعه شارش گرما ایجاد می کنند، این قطعه با استفاده از انرژی الکتریکی 195525 ، گرما را با توجه به جهت عبور جریان، از یک سوی قطعه به سوی دیگر هدایت می کند. طبیعی است که به علت مصرف انرژی الکتریکی، گرمایی که دفع می شود از گرمایی که در طرف مخالف قطعه جذب می شود بیشتر است. این قطعه را به نام هایی مانند المان سرد کننده، TEC، کولر  ترموالکتریک، یخچال حالت جامد و … نیز می شناسند.

با اعمال جریان الکتریکی به المان های سرد کننده، یکی از طرفین قطعه شروع به سرد شدن و دیگری شروع به گرم شدن می کند. اما می توان این فرآیند را برعکس کرد! در صورتی که بین طرفین المان های سرد کننده اختلاف دما ایجاد کنید یعنی یک طرف المان را سرد و دیگری را گرم کنید می توانید از دو سر المان جریان الکتریکی تحویل بگیرید. البته راندمان این کار با المان های TEC متداول بسیار پایین است.

در المان های سرد کننده (TEC) می توان با تغییر جهت جریان ( جابجا کردن + و – )، طرف سرد و گرم قطعه را تغییر داد.

دقت کنید حتما باید هیت سینک مناسب به طرف گرم المان سرد کننده متصل کنید. جنس و اندازه هیت سینک تاثیر بسیار زیادی بر روی عملکرد قطعه خواهد داشت. هرچه گرمای طرف گرم بیشتر و سریعتر دفع شود، گرمای بیشتری از طرف سرد جذب می شود و دمای طرف سرد بیشتر کاهش می یابد.

هر طبقه (Stage) از TEC ها می تواند تا 70 درجه اختلاف دما در دو سمت ایجاد نماید. برخی اوقات برای افزایش این عدد و دفع گرمای بیشتر چندین طبقه TEC را بر روی یکدیگر قرار می دهند که به این حالت Multi-Stage گفته می شود. در تصویر زیر یک TEC سه طبقه ( Three-Stage ) نمایش داده شده است.

ضمنا لازم به توضیح است برای اینکه نتیجه مناسبی از المان TEC بگیرید حتما باید جریان نامی المان را تامین کنید. به فرض مثال در صورت اتصال یک المان 6 آمپر به منبع جریان 3 آمپر با این که اختلاف دما ایجاد می شود اما یقینا کمتر از توان حداکثر المان خواهد بود.

در تصویر زیر نحوه ی خواندن کد روی TEC ها توضیح داده شده است :

برای مثال در شکل قبل عبارت TEC1-12706 نشان میدهد مشخصات این المان به شرح زیل است:

سایز استاندارد – 1 طبقه – 127 زوج P-N – جریان مصرفی 6 آمپر

اما در مورد المان های چند طبقه کد شناسایی کمی متفاوت است. برای مثال المان 3 طبقه ای که تصویر آن در همین مبحث درج شده دارای کد شناسایی زیر است:

TEC3-64-26-11-05

اما این کد به چه معناست؟ در صورت چند طبقه بودن المان، قسمت مربوط به تعداد زوج های P-N به تعداد طبقات ذکر خواهد شد و با – از سایر قسمت ها جدا می شود بنابراین مشخصات این المان به شرح زیر است :

سایز استاندارد – 3 طبقه – طبقه اول 64 پیوند – طبقه دوم 26 پیوند – طبقه سوم 11 پیوند جریان نامی 05 آمپر

بیان مساله

رک وسیله ای از جنس پلاستیک و فلز در ابعاد مختلف برای نگه داری میکروتیوب های آزمایشگاهی و لوله های آزمایش است. از آن در آزمایشات مولکولی استفاده می شود. امروزه در آزمایشگاه ها برای نگه داری از میکروتیوب هایی که نیاز به سرما دارند از یخ خشک و ظرف حاوی یخ استفاده می شود که معایبی را دارا می باشند.

قطعه TEC(Thermo Electric Cooling)یک المنت نیمه رسانا برای انتقال گرما است. نحوه کار قطعه TEC براساس قوانین ترمودینامیک است در صورتی که نوعی از ان که برای سرما دهی طراحی شده است، سیستم کار متفاوتی دارد. در سیستم سرما دهی این قطعه قسمت های اصلی آن شامل خشک کننده و متراکم کننده کمپرسور است. در سطح خشک کننده قطعه TEC انرژی از طریق مایع به بخار ذخیره می شود. در سطح کمپرسور، فشار کافی برای بالا یا پائین آوردن دما برای رسیدن به دمای مد نظر اعمال می شود. در سطح متراکم کننده، انرژی ذخیره کننده را به تمامی سطح انتقال می دهد. بنابراین این المنت نیمه رسانا به شکل های گوناگون برای رفع نیاز های دستگاه های مختلف وصل می شود. با استفاده از یک نیمه رسانای P-type  و وصل آن به یک نیمه رسانایN-type  ترموکوبل و بعد آن را به جریان DC  وصل کنیم تا قابلیت جابجایی گرمای مختلف را داشته باشد. در کنار دستگاه جریان از N  به P است و دما منتقل و گرما جذب می شود، پس در آخر ما سرما داریم (دستگاه سرد می شود) و بعد در طرف دیگر جریان از P به N تغییر می کند در نتیجه دما افزایش می یابد از این رو طرف دیگر گرم می شود.

اهمیت و ضرورت طرح

میکروتیوپ ها بر اساس ویژگی های زیر به انواع مختلف دسته بندی می شوند. گنجایش، استریلیزاسیون، رنگ، شکل بدنه، شکل درب.

یک سری از میکروتیوب ها برای نگه داری از DNA هستند که نیاز به نگه داری در دمای پایین دارند که امروزه برای ایجاد دمای پایین، آن ها را درون ظرف یخ می گذارند و این کار معایب زیادی دارد از جمله این که یخ حداکثر 3الی 4 ساعت ماندگاری دارد و بعد آب می شود و نیاز به تعویض دارد که این خود باعث اتلاف وقت می شود. ولی این دستگاهی که ما قصد ساختن آن را داریم به راحتی این دما را تامین می کند ولی اگر بخواهیم این دستگاه را از خارج کشور تامین کنیم باید هزینه بسیاری صرف کنیم در حالی که با ساخت آن در داخل کشور هزینه کمتری صرف می کنیم.

اهداف طرح

اهداف کلی: ساخت رک میکروتیوب خنک کننده

 اهداف جزئی: طراحی بلوک خنک کننده با استفاده از قطعه TEC

 اهداف كاربردی: استفاده در رک های موجود در آزمایشگاه

فرضیات پژوهش

با  استفاده از این رک بتوانیم دمای مورد نیاز در آزمایشگاه ها را تامین کنیم و نسبت به نمونه های خارجی آن کارایی بیشتر و قیمت کمتری داشته باشد.

مروری بر تحقیقات پیشین

شرکت tellurex  صفحه ای خنک کننده با قابلیت دمایی بین 50 تا 25 اما فاقد قطعه ترموکوبل که جهت ثابت نگه داشتن دما می باشد را طراحی و ساخته است.

در سال 2016، karan varij singh   و دیگر محققان صفحه خنک کننده ای جهت خنک کردن صفحات خورشیدی براساس قطعه ترموالکتریک طراحی و ساختند.

در سال 2007 در آمریکا، aprana prabhonor   و micheal. c.  و دیگر همکاران قطعه ی TEC با قابلیت دمایی بین 50 تا 30 طراحی و ساخته شد.

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان

تهیه: نگار تجملیان-  تنظیم: نسرین صادقی