CC BY
6
DOI: 10.15587/2312-8372.2017.105634
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНЫХ ОХЛАЖДАЮЩИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДВУХКАСКАДНЫХ ОХЛАДИТЕЛЕЙ ПРИ ВАРИАЦИИ ГЕОМЕТРИИ ВЕТВЕЙ В КАСКАДАХ
Зайков В. П., Мещеряков В. И., Журавлев Ю. И.
1. Введение
Термоэлектрические охлаждающие устройства относятся к наиболее перспективным устройствам обеспечения тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры. Это обусловлено отсутствием перемещающихся компонентов, малыми габаритами, высоким быстродействием, механической и ударной прочностью. Недостатком термоэлектрических охладителей (ТЭУ) является более низкая холодопроизводительность по сравнению с компрессионными охлаждающими устройствами, что делает актуальными исследования, направленные на повышение их холодопроизводительности. Очевидно, что основным методом повышения холодопроизводительности ТЭУ является выбор материала термоэлементов ветвей с максимальным значением термоэлектрической эффективности. Однако выбор полупроводниковых материалов термоэлементов для промышленного применения достаточно ограничен, поэтому при существующей технологии и заданных материалах необходимы конструктивные приемы повышения холодопроизводительности термоэлектрических охладителей.
2. Объект исследования и его технологический аудит
Объектом исследования является аналитическая модель связи показателей надежности двухкаскадного термоэлектрического охладителя с геометрией ветвей термоэлементов и его охлаждающими возможностями.
Термоэлектрический охладитель представляет собой конструкцию из параллельно расположенных керамических холодного и горячего электродов, между которыми установлены термоэлементы, электрически последовательно соединенные между собой. Существующая модель термоэлектрического охлаждающего устройства основана на законе сохранения энергии, в частности, на балансе тепловых потоков за счет теплопроводности между нагрузкой, холодным электродом, термоэлементами, горячим электродом, радиатором и внешней средой.
Термоэлектрические охлаждающие устройства относятся к твердотельным охладителям, надежность и массогабаритные характеристики которых существенно превосходят компрессионные устройства данного назначения до мощности охлаждения 500 Вт [1]. Это особо важно для теплонагруженных радиоэлектронных бортовых элементов, работающих в широком диапазоне климатических и механических воздействий [2]. Спектр использования термоэлектрических преобразователей широк: от систем обеспечения тепловых режимов электронной аппаратуры, медицинских систем формирования температурных полей, бытовых холодильников и кондиционеров до генераторов электрической энергии [3]. Более низкая по сравнению с компрессионными холодопроизводи-
тельность термоэлектрических охлаждающих устройств сделала актуальной проблему повышения энергетических параметров ТЭУ, поскольку по иным показателям они находятся вне конкуренции.
Другой проблемой являются показатели надежности, поскольку современные теплонагруженные элементы работают в условиях, близких к критическим. В соответствующих условиях работают и термоэлектрические системы обеспечения их тепловых режимов [4]. Повышенная тепловая нагрузка существенно ухудшает показатели надежности ТЭУ [5], поэтому проектирование устройства по критерию максимума охлаждающих возможностей должно осуществляться с учетом данного обстоятельства. В [6] проанализировано влияние изменение геометрии термоэлементов на показатели надежности однокаскадных ТЭУ, однако двухкаскадные охладители обладают рядом особенностей, учет которых обязателен [7]. Целесообразность выявления связи показателей надежности при вариации геометрии ветвей каскадного термоэлектрического охлаждающего устройства обусловлена потенциальной возможностью повышения качества двухкаскадных охладителей. При этом остается неизменной существующая технология их изготовления.
3. Цель и задачи исследования
Целью работы является выявление связи охлаждающих возможностей и показателей надежности двухкаскадного термоэлектрического охладителя с геометрией ветвей термоэлементов при их последовательном электрическом соединении.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать модель связи интенсивности отказов с конструктивными параметрами и энергетическими показателями двухкаскадного термоэлектрического охлаждающего устройства.
2. Провести анализ результатов моделирования для определения условий достижения максимального перепада температур.
4. Исследование существующих решений проблемы
Среди основных направлений устранения проблемы повышения холодо-производительности термоэлектрических охлаждающих устройств, выявленных в ресурсах мировой научной периодики, могут быть выделены:
- создание новых материалов с повышенной термоэлектрической эффективностью [8, 9];
- использование тонкопленочных технологий изготовления материала термоэлементов [10-12];
- переход на нано структурные технологии изготовления материала термоэлементов [13-15];
- привлечение внешних электромагнитных полей для управления переносом зарядов в материале термоэлемента [16];
- оптимизация теплообмена в термоэлектрическом устройстве [17, 18];
- привлечение элементов теории надежности в технологии изготовления термоэлектрических охладителей [19-21].
Как следует из подходов, представленных в мировой периодике, основным направлением является создание новых материалов с более высокими значениями термоэлектрической эффективности и технологий изготовления материалов, что непосредственно определяет холодопроизводительность термоэлектрического устройства. Вместе с тем, промышленно используемые термоэлектрические материалы уже в течение полусотни лет имеют весьма ограниченное значение термоэлектрической эффективности [4, 5]. Управление показателями термоэлектрического охладителя электромагнитными полями существенно усложняет систему обеспечения тепловых режимов, поэтому может быть рекомендовано только в специальных применениях.
Исследования термоэлектрических охладителей на эксплуатационные показатели надежности осуществляется либо на этапе подготовки технологии изготовления изделий, либо после изготовления [21]. Это ограничивает возможности влияния проектирования на результирующие показатели надежности термоэлектрического устройства.
Таким образом, результаты анализа позволяют сделать вывод о том, что определение связи между показателями надежности термоэлектрического устройства и конструктивными параметрами термоэлементами актуально.
5. Методы исследования
В качестве методов исследования воспользуемся методами математического моделирования, теории теплопередачи и надежности, которые позволяют получить аналитические выражения, используемые для анализа. С прикладной точки зрения данный подход позволяет сопоставлять проектные решения и проектировать каскадные термоэлектрические охлаждающие устройства с приоритетом критерию надежности. При этом учитываются конструктивные и энергетические показатели, удовлетворяющие требованиям технического задания при существующей технологии.
6. Результаты исследования
6.1. Разработка надежностно-ориентированной модели
В ряде случаев в распоряжении разработчика имеется ряд различных конструкций каскадных термоэлектрических устройств (КТЭУ). Эти устройства могут отличаться друг от друга количеством термоэлементов пь п2 в каскадах (отношением п1/п2) и геометрией их ветвей (отношения высоты / ветви каскада к площади ее поперечного сечения 5). Возможны также ряды стандартных (унифицированных) модулей, на базе которых можно построить КТЭУ при (//5)г=еопв1 либо (//$)г=уаг.
В [6] рассмотрен режим максимального перепада температур ЛГтах двух-каскадных ТЭУ различных конструкций (п1/п2=уаг) при (//5)1=(//5)2=10 см-1 и определены их максимальные охлаждающие возможности и показатели надежности. Проведены расчеты максимальных охлаждающих возможностей, а именно величины максимального перепада температуры ЛТтах, при (//5)1=(//5)2= 40...2,0 см-1 и различных значений п1/п2. Анализ результатов показал, что ЛТтах
не зависит от геометрии ветвей термоэлементов в каскадах, а зависит от эффективности исходных материалов.
Рассмотрим оценку охлаждающих возможностей и показателей надежности двухкаскадных ТЭУ различных конструкций (п^п^уаг) при (//5)1=уаг=20; 15; 10; 4,5 см-1 и (//5)2=10 см-1 при последовательном электрическом соединении каскадов.
Для определения оптимальной геометрии ветвей термоэлементов в первом каскаде (//5)1опт, соответствующей наибольшему значению максимального перепада температуры АТтах двухкаскадного ТЭУ при заданной геометрии ветвей термоэлементов во втором каскаде (//5)2=еопв1;, воспользуемся соотношениями [5].
Условие теплового сопряжения каскадов можно записать в виде:
001+^1=002,
(1)
где 001=0 при АТтах - тепловая нагрузка ТЭУ, Вт.
Входящие в это выражение мощность потребления первого каскада Ж1 и холодопроизводительность второго каскада 002 рассчитываются по формулам:
Щ = 2ц + еЩ -Ц0 )] = 2ц
£>2 = 2ц [ец - о,5/2^2 - К(т- Т)] =
= -2ц
+ ~ех1Ц -ц
У
еЦ--0'512(13)2 —^(Т- Ц)
-2^1
(13)2
(2)
(3)
2
где п1, п2 - количество термоэлементов в каскадах, шт.; I - величина рабочего тока, А;
Яг - электрическое сопротивление ветви термоэлемента в 1-м каскаде, Ом,
Я, =(//5)г/У;
ё, У, х; - соответственно, усредненные значения коэффициента термо-ЭДС, В/К, электропроводности, См/см, и теплопроводности, Вт/(см-К), ветвей термоэлементов в -м каскаде;
Т0 - температура теплопоглощающего спая, К; Т1 - промежуточная температура, К; Т - температура теплопоглощающего спая, К.
Подставим (2) и (3) в (1) и получим выражение для промежуточной температуры:
Т = Т\ 1+
х
■ 0,5/2-(13)2
(4)
Подставив (2)-(4) в (1), получим выражение для определения температуры теплопоглощающего спая:
Т
1
е1+-Х-+Iе151)1
(1/3)2
+ 0,512-15)2
(5)
е21+
X1
е1+
Х2
(/5)2
-12
П е\(//5)1
Х2
(15)2
Т+
у
(15)
+ 0,512
П XI
п (15)1
п е1/32
2 У
Введем следующие обозначения:
А=тХ^Тв= 0,512 /=-е21+ -Ц*
(15)2 (ТЖ (/
С= 0,512(13)2;П=
+ - 0,51
4 П 4 П 4X1
4
П((1
Е= 0,5/П-_е^; Р = 1-ет;К= 12П-
Щ (1=1 Х1 п2 Х1
С учетом этого выражение (5) примет вид:
Т = А+ Щ1/32 + с+ - Е(132 0 /+ (13 (р/-к)
Из условия
&Т
= 0 получим:
(6)
(13о =
\ ' У 1опт
Б(р/- К) (А+С))р/- К
■ +
/-Е) / (В/-Е) /
-1
(7)
Интенсивность отказов Х/Х0 двухкаскадного ТЭУ можно определить из выражения:
2
-=щВ ( + С) 2
г АТ л
В + ^ ©1 _Т
1 + АТтах! 0
V
Т
кп +
+ ПВ (02 + С2)
АТ
В + 0 2 _Т
1 + АТх2 02 т 2
к
Т2'
(8)
где ©г- - относительный перепад температуры в г-м каскаде, ©1 =(Т1 -Т0)/ДГтах1, ©2=(Т - Т1)/ДТтах2;
ЛТтах- - максимальный перепад температуры в г-м каскаде, К,
АТх,- = о,5^Т1;
С - относительная тепловая нагрузка в г-м каскаде, С = —^т1—
П^тахД
с =
П21тах2^2
Вг - относительный рабочий ток в г-м каскаде, Вг- = ///тах;
/тах - максимальный рабочий ток в г-м каскаде, А, /тах = ёгТг-1/Л>г-;
- усредненное значение эффективности материала ветвей термоэлементов г-го каскада, 1/К;
Кп - коэффициент значимости, учитывающий влияние пониженной температуры в г-м каскаде.
Вероятность безотказной работы Р двухкаскадного ТЭУ можно определить из выражения:
Р=ехр(-ХО
ния:
,
(9)
где ? - назначенный ресурс, ч.
Падение напряжения двухкаскадного ТЭУ можно определить из выражения:
Цх=0У/.
(10)
Выражения являются основой для проведения расчетов параметров и показателей надежности двухкаскадного охладителя.
6.2. Анализ разработанной надежностно-ориентированной модели
Расчет основных параметров и показателей надежности проводился для различных конструкций двухкаскадного ТЭУ (п2/п2=уаг) при фиксированном количестве термоэлементов во втором каскаде п2=27, оптимальном значении (//5)1 и (//5)2=10 см-1. Для поиска оптимальной геометрии ветвей термоэлементов первого каскада (//5)1опт использовался параметр, учитывающий геометрию ветвей в двух каскадах:
. ИЗ,
~ (15)2 '
Результаты расчетов приведены в табл. 1 и на
Анализ расчетных данных показал, что при фиксированных значениях параметра а с уменьшением отношения п1/п2:
- промежуточная температура Т1 уменьшается (рис. 1);
- относительный рабочий ток в каскадах В1 и В2 увеличивается (рис. 2);
- относительный перепад температуры в первом каскаде ©1 увеличивается для а=0,45 и а=1,0 и уменьшается, проходя через максимум для а=1,5 и а=2,0 (рис. 3, а). Во втором каскаде ©2 увеличивается для различных значений а (рис. 3, б);
- величина рабочего тока I увеличивается (рис. 4);
- оптимальное значение параметра геометрии ветвей термоэлементов аопт уменьшается, проходя через минимум при п1/п2=0,5 (рис. 4);
- максимальный перепад температуры ЛТтах увеличивается (рис. 5);
- интенсивность отказов увеличивается (рис. 6, а) за счет роста относительных рабочих токов В1 и В2, а также роста относительных перепадов температуры ©1 и ©2;
- вероятность безотказной работы Р уменьшается (рис. 6, б).
Анализ расчетных данных показал, что при фиксированных значениях отношения п1/п2 с увеличением параметра а:
- промежуточная температура Т1 увеличивается (рис. 1);
- относительный рабочий ток первого каскада В1 растет, а второго каскада В2 незначительно уменьшается (рис. 2);
- относительный перепад температуры во втором каскаде ©2 увеличивается (рис. 3, б);
- вероятность безотказной работы Р уменьшается (рис. 6, б).
тност ятност
Таблица 1
Основные параметры и показатели надежности двухкаскадного термоэлек-
___3
трического охладителя при 7=300 К, Qo=1,0 Вт, ^ =2,4-10 1/К, «2=27, (//5)2=10
Кон-
струк-ция (модули в а Яг 10 3 О Я2-1 03, Ом 1ша х1, А 1шах2 ? А В1 В2 ©1 ©2 71, К М шах Вт Це , В (// 5)1 У У) У-10 8 1/ч Р
каска- м
дах)
«1/«2=1,0; «1= 27; I- 2 А
М4,5-
27/ М10- 0,45 3,8 8 10,1 1,1 1 5,02 0,18 0,40 0,33 0,48 261, 0 59, 6 3,8 7 1,9 4 4,5 0,6 3 1,89 0,999 81
27
М10-
27/ М10- 1,0 9,4 3 10,5 3 4,7 5,25 0,43 0,38 0 0,67 0,23 279, 0 64, 0 5,6 3 2,8 2 10 1,3 3 4,0 0,999 60
27
М13,8
-27/ 1,38 12, 10,4 3,5 5,38 0,57 0,37 0,82 0,17 283, 66, 6,2 3,1 13, 3,5 10,6 0,998
М10- 1 2 1 2 5 4 3 6 3 1 8 2 94
27
М15-
27/ М10- 1,5 13, 9 10,6 4 3,1 3 5,41 0,64 0,37 0,87 0,12 4 287, 7 66, 1 6,6 4 3,3 3 15 5,3 8 16,1 0,998 4
27
М20-
27/ М10- 2,0 18, 9 11,1 2,3 7 5,40 0,84 0,37 0,95 0,0 300 62, 2 9,7 5 4,9 20 14, 7 44,2 0,995 6
27
«1/«2=0,67; п1= 18; 1=2,6 А
М4,5-
18/ М10- 0,45 3,8 1 10,0 10, 6 4,97 0,24 5 0,52 3 0,43 0,57 255, 9 68, 7 6,2 2,4 4,5 2,1 1 6,32 0,999 37
27
М10-
18/ М10- 1,0 8,4 7 10,4 2 4,6 5 5,06 0,56 0,51 0,80 0,36 269, 0 74, 7 7,4 3 2,8 6 10 3,5 6 10,7 0,998 93
27
М11,3 1,13 9,5 10,4 4,1 5,04 0,63 0,51 0,81 0,38 267, 75, 7,7 3,0 11, 4,8 14,5 0,998
-18/ 8 2 4 6 7 7 3 3 5 5 55
М10- 27
М15-1S/ М10- 27 1,5 12, 9 10,4 2 3,1 4 5,27 0,S3 0,49 0,9S 0 0,22 6 279, 0 75, 3 S,4 3 3,2 4 15 10, 9 32,6 0,996 7
М20-1S/ М10- 27 2,0 1S, 2 10,9 2,3 6 5,35 1,10 0,49 0,9S 7 0,0S 4 291, 4 6S, 6 9,7 0 3,7 2 20 27, 3 S2,0 0,991 S3
«i/«2=0,50; «1=13,5; /=3,1 А
М4,5-13,5/ М10-27 0,45 3,6 9 9,S 10, 47 4,95 0,30 0,63 0,50 0,65 6 251, 3 1 75, 4 S,0 2,6 4,5 4,5 S 13,7 5 0,99S 62
М9,5-13,5/ М10-27 0,95 7,S 10,1 4,S 3 5,11 0,64 0,61 0,91 0,44 263, 5 S2, 4 9,1 2,9 5 9,5 6,2 7 1S,S 0,99S 12
М10- 13,5/ М10-27 1,0 S,2 0 10,1 4,6 5,10 0,67 0,61 0,S9 5 0,45 5 262, S S2, 2 9,2 3,0 10 6,7 5 20,2 0,99S 0
М15- 13,5/ М10-27 1,5 12, 1 10,1 3,1 5,3 1,0 0,59 1,0 0,32 272 79, 0 10, 0 3,2 5 15 17, 25 51,S 0,994 S3
М20-13,5/ М10-27 2,0 17, 9 10,5 2,3 7 5,4 1,31 0,57 5 0,93 0,13 5 2S6, 7 69, 0 11, 4 3,6 7 20 37, 5 112, 6 0,99S S
n1/n2=0,33; «1=9; /=3,3 А
М4,5- 9/ М10-27 0,45 3,4 6 9,62 10, 67 4,SS 0,31 0,6S 0,52 4 0,74 4 247, 1 7S, 9 S,4 2,5 4 4,5 6,3 2 19,0 0,99S 10
М10- 9/ М10- 27 1,0 7,6 9 10,0 4,6 1 4,94 0,72 0,66 S 0,92 4 0,59 4 254, 7 S7, 6 9,4 2,S 4 10 10, S 32,5 0,996 S
М11- 9/ М10- 27 1,11 S,5 4 10,0 4,1 4 4,93 0,S0 0,67 0,92 5 0,61 254, 0 SS, 1 9,5 6 2,S 3 11, 1 9,S 5 29,6 0,997 05
М15- 9/ М10- 27 1,5 1», 1 10,0 3,0 3 5,09 1,09 0,64 8 1,0 0,48 5 261 86, 8 10, 1 3,0 7 15 18, 1 54,2 0,994 6
М20- 9/ М10- 27 2,0 17, 0 10,0 2,3 5,20 1,43 0,63 5 0,81 0,41 265, 6 77, 3 10, 9 3,3 0 20 33, 4 100 0,990 0
«i/«2=0,20; «1=5; /=3,8 А
М4,5- 5/ М10-27 0,45 3,4 0 9,52 10, 1 4,85 0,38 0,78 0,61 0,83 5 243 84, 6 10, 3 2,7 1 4,5 10, 9 32,7 0,996 7
М9,99 -5/ М10-27 0,99 3 7,6 4 9,62 4,3 9 4,91 0,86 0,77 0,98 4 0,71 248, 7 95, 5 10, 9 2,8 6 9,9 3 13, 2 39,6 0,996 0
М10- 5/ М10- 27 1,0 7,6 9 9,62 4,4 1 4,92 0,86 0,77 0,98 0,71 248, 7 93, 4 10, 9 2,8 6 10 13, 2 39,6 0,996 0
М15- 5/ М10- 27 1,5 11, 5 10,0 3,0 4 4,89 1,25 0,78 0,94 0,64 252 90, 0 11, 6 3,0 6 15 21, 9 65,7 0,993 5
М20- 5/ М10- 27 2,0 16, 1 10,0 2,3 9 5,03 1,59 0,75 5 0,66 0,53 5 258 76, 6 12, 0 3,1 6 20 29, 0 86,9 0,991 35
«l/«2=0,] L; n1=3; /=4 А
М4,5- 3/ М10-27 0,45 3,4 0 9,52 9,9 7 * 4,79 0,40 0,83 5 0,63 7 0,90 240 88, 1 11, 1 2,7 8 4,5 14, 4 43,2 0,995 7
М9,99 -3/ М10-27 1,0 7,5 2 9,52 4,3 2 4,85 0,92 6 0,82 5 0,99 0,83 243, 1 96, 9 11, 4 2,8 6 9,9 97 15, 9 47,7 0,995 24
М10- 3/ М10-27 1,0 7,5 2 9,52 4,3 2 4,85 0,92 6 0.82 5 0,99 0,83 243 96, 8 11, 4 2,8 6 10 15, 9 47,7 0,995 2
М15- 3/ 1,5 11, 3 9,52 2,9 6 4,91 1,35 0,81 5 0,87 5 0,76 9 246 91, 2 11, 6 2,9 1 15 21, 5 64,4 0,993 6
М10- 27
М20- 3l М10-27 2,0 15, 9 9,62 2,3 5 4,91 1,70 0,81 5 0,51 0,71 248, 7 77, 3 12, 0 3,0 20 25, 2 75,5 0,992 5
Ти К 290 280 270 260 250 240
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 щ/п2
Рис. 1. Зависимость промежуточной температуры Т\ двухкаскадного термоэлектрического охладителя от отношения n^n2 для различных значений параметра а при Т=300 К; (/15)2=10 см-1; n2=27 в режиме ATmax
Bt
1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 «i/«2 а
В2 0,75 0,65 0,55 0,45 0,35
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 т/п2 б
Рис. 2. Зависимость относительного рабочего тока каскадов двухкаскадного термоэлектрического охладителя от отношения п1/п2 для различных значений параметра а при 7=300 К; (//5)2=10 см-1; п2=27 в режиме ЛТтах: а - первого каскада В¡; б - второго каскада В2.
©2 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 тЩ б
Рис. 3. Зависимость относительного перепада температуры каскадов двухкас-кадного термоэлектрического охладителя от отношения п^п2 для различных значений параметра а при 7=300 К; (//5)2=10 см-1; п2=27 в режиме ЛТтах: а -первого каскада ©1; б - второго каскада ©2.
1,3 1,2 1,1 1,0 0,9
' I #опт /
> /
■ _ /
■
/, А
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 т!пг
Рис. 4. Зависимость оптимального значения параметра а, соответствующего наибольшему значению перепада температуры: параметра геометри вервей а и рабочего тока 7 двухкаскадного термоэлектрического охладителя от отношения
п1/п2 при Т=300 К; (//5)2=10 см 1; п2=27 в режиме ЛТ
90 80 70 60
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 а
Рис. 5. Зависимость максимального перепада температуры ЛТтах двухкаскадно-го термоэлектрического охладителя от величины параметра а для различных значений отношения п1/п2 при Т=300 К; (//5)2=10 см-1; п2=27 в режиме ЛТтах
35 30 25 20 15 10 5 0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 И]/«2
а
Р -1----
0,999 - ----
¿'опт ____
0,998 -----
0,997 /¿^
0 45//X У
0,996 --^^ X
0,995 -1,0— /— у/
0,994 — X /
0,993 —^---/-
0,992 —
0,991 - --/—
а = 2,0 / 0,990 - /
0,989 -I-1--1--'--'--1-
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 щ!пг
б
Рис. 6. Зависимость относительном интенсивности отказов А/Х0 и вероятности безотказной работы Р двухкаскадного термоэлектрического охлаждающего устройства от отношения щ/п2 для различных значений параметра а при 7=300 К; (//5)2=10 см-1; п2=27 в режиме А7тах: а - относительной отказов АЛ0; б - вероятности безотказной работы Р
Как видно из рис. 5, функциональная зависимость ЛТтах=/(а) для различных значений отношения п1/п2 имеет ярко выраженный максимум при заданной величине рабочего тока I. Для каждого значения отношения п1/п2 можно определить оптимальную геометрию ветвей термоэлементов аош=(//£}1/(//5)2, соответствующую наибольшему значению максимального перепада температуры ЛТтах. Следует отметить, что с ростом отношения п1/п2 величина параметра аопт смещается в сторону больших значений от традиционного а=1 (когда (//^=(//^=10).
Результаты расчета максимального перепада температуры ЛТтах при аопт (АТтах аопт) и при а=1 (ДТтах а=1) приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчета максимального перепада температуры
п1/п2 аопт АТ тах аопт АТтах а=1 У А Ттах аопт/А Ттах а=1
1,0 1 1,38 66,6 64,0 1,041
0,67 1,13 75,7 74,7 1,01
0,50 0,95 82,4 82,2 1,0024
0,33 1,11 88,1 87,6 1,005
0,20 Г 0,993 95,5 93,4 1,022
0,11 1,0 96,9 96,8 1,001
0,0 1,0 100 100 1,0
^ОПТ
/ X/
0,45 7 А/ г
1,0
1,5
<2 = 2,0 У
Как следует из последней колонки табл. 2, выигрыш зависит от отношения числа термоэлементов в каскадах и достигает максимума при значении отношения термоэлементов равном единице.
7. SWOT-анализ результатов исследований
Strengths. Сильной стороной данного исследования явилось обоснование возможности повышения показателей надежности двухкаскадных термоэлектрических охлаждающих устройств до 4% без доработки существующей технологии промышленного производства и изменения материала термоэлементов. С прикладной точки зрения это позволяет сохранить неизменными технические условия эксплуатации по климатическим, механическим и радиационным показателям выпускаемых изделий при повышении их качественных характеристик.
Weakness. Слабой стороной данного исследования является тот факт, что в предложенной модели учтено ограниченное число влияющих факторов, в частности не учтены термические деформации, которые возникают в местах соединения термоэлементов с теплоотводящими керамическими электродами. В каскадных термоэлектрических охладителях температурные условия функционирования термоэлементов в каскадах разнятся, что может оказывать влияние на пластические свойства паяных соединений. Данная составляющая не учтена предложенной моделью, и ее влияние на показатели надежности термоэлектрических охладителей нуждается в дальнейших исследованиях и соответствующих финансовых затратах.
Opportunities. Дополнительные возможности по повышению показателей надежности двухкаскадных термоэлектрических охлаждающих устройств состоят в учете геометрии термоэлементов и распределения термоэлементов в каскадах. Это позволяет оптимизировать проектные решения для достижения максимальных значений перепадов температур. При внедрении на предприятиях элементов данных исследований появляется возможность уже на стадии проектирования закладывать изделия, обладающие повышенными показателями надежности.
Threats. Сложности практического использования полученных результатов связаны с расширения номенклатуры выпускаемых двухкаскадных охладителей, привязанных к конкретным условиям эксплуатации. Поэтому данная функция должна быть заложена в алгоритм автоматизированной системы проектирования и изготовления, что является общей тенденцией современного производства. Дополнительные затраты связаны с доработкой программного продукта системы автоматизированного проектирования термоэлектрических охладителей в направлении учета исследованной составляющей надежности.
Таким образом, SWOT-анализ позволяет оценить основные направления повышения качества проектирования и изготовления двухкаскадных термоэлектрических охлаждающих устройств по надежностно-ориентированному критерию.
8. Выводы
1. Предложена и проанализирована модель взаимосвязи показателей надежности двухкаскадных ТЭУ различных конструкций с геометрией ветвей термоэлементов в каскадах в режиме Mmax при последовательном электриче-
ском соединении каскадов. Полученные соотношения позволяют оценить максимальные охлаждающие возможности и показатели надежности двухкаскадных охладителей различных конструкций.
2. Показана возможность увеличения максимального перепада температуры ЛТшах до 4 % за счет выбора оптимальной геометрии ветвей термоэлементов в каскадах (l/S)l>(l/S)2, отличающейся от традиционной (l/S)l=(l/S)2, при заданном рабочем токе. Предложенный подход позволяет оценить максимальные охлаждающие возможности двухкаскадных охладителей и вести оптимизационное проектирование систем обеспечения тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры.
Литература
1. Zebarjadi, M. Perspectives on thermoelectrics: from fundamentals to device applications [Text] / M. Zebarjadi, K. Esfarjani, M. S. Dresselhaus, Z. F. Ren, G. Chen // Energy & Environmental Science. - 2012. - Vol. 5, № I. - P. 5147-5162. doi:l0.l039/clee02497c
2. Jurgensmeyer, A. L. High Efficiency Thermoelectric Devices Fabricated Using Quantum Well Confinement Techniques [Text] / A. L. Jurgensmeyer. - Colorado State University, 20ll. - 54 р.
3. Tsai, H.-L. Self-sufficient energy recycling of light emitter diode/thermoelectric generator module for its active-cooling application [Text] / H.-L. Tsai, P. T. Le // Energy Conversion and Management. - 20l6. - Vol. ll8. -P. l70-l78. doi:l0.l0l6/j.enconman.20l6.03.077
4. Rowe, D. Materials, Preparation, and Characterization in Thermoelectrics [Text] / ed. by D. Rowe // Thermoelectrics and its Energy Harvesting, 2 Volume Set. - Boca Raton: CRC Press, 20l2. - 544 р. doi:l0.l20l/bll89l
5. Zaykov, V. Prediction of reliability on thermoelectric cooling devices [Text]. Book l. Single-stage devices / V. Zaykov, L. Kirshova, V. Moiseev. - Odessa: Politehperiodika, 2009. - l20 p.
6. Zaykov, V. Prediction of reliability indices of a two-stage thermoelectric cooling device in the ATmax mode [Text] / V. Zaykov, L. Kirshova, V. Moiseev, L. Kazanzhi // Technology and design in electronic equipment. - 2009. - № 4. -P. 45-47.
7. Zaykov, V. Prediction of reliability on thermoelectric cooling devices [Text]. Book 2. Cascade devices / V. Zaykov, V. Mescheryakov, Yu. Zhuravlov. -Odessa: Politehperiodika, 20l6. - l24 p.
8. Brown, S. R. Yb l4 MnSb ll: New High Efficiency Thermoelectric Material for Power Generation [Text] / S. R. Brown, S. M. Kauzlarich, F. Gascoin, G. J. Snyder // Chemistry of Materials. - 2006. - Vol. l8, № 7. - P. l873-l877. doi:l0.l02l/cm06026lt
9. Riffat, S. B. Improving the coefficient of performance of thermoelectric cooling systems [Text] / S. B. Riffat, X. Ma // International Journal of Energy Research. - 2004. - Vol. 28, № 9. - P. 753-768. doi:l0.l002/er.99l
10. Gromov, G. Obiemnye ili tonkoplenochnye termoelektricheskie moduli [Text] / G. Gromov // Komponenty i tehnologii. - 20l4. - № 9. - P. 38.
11. Mischenko, A. S. Giant Electrocaloric Effect in Thin-Film PbZr0.95Ti0.05O3 [Text] / A. S. Mischenko // Science. - 2006. - Vol. 311, № 5765. - P. 1270-1271. doi:10.1126/science.1123811
12. Singh, R. Experimental Characterization of Thin Film Thermoelectric Materials and Film Deposition VIA Molecular Beam Epitaxial [Text] / R. Singh. -University of California, 2008. - 54 p.
13. Kruglyak, Yu. A. Landauer-Datta-Lundstrom Generalized Electron Transport Model [Text] / Yu. A. Kruglyak // Nanosystems, Nanomaterials, Nano-technologies. - 2013. - Vol. 11, № 3. - P. 519-549.
14. Sootsman, J. R. New and Old Concepts in Thermoelectric Materials [Text] / J. R. Sootsman, D. Y. Chung, M. G. Kanatzidis // Angewandte Chemie International Edition. - 2009. - Vol. 48, № 46. - P. 8616-8639. doi:10.1002/anie.200900598
15. Nesterov, S. B. Evaluation of the possibility of increasing the thermoelectric quality of nanostructured semiconductor materials for refrigeration equipment [Text] / S. B. Nesterov, A. I. Kholopkin // Refrigerating Technique. - 2014. - № 5. -P. 40-43.
16. Gorskyi, P. Layered structure effects as realisation of anisotropy in magnetic, galvanomagnetic and thermoelectric phenomena [Text] / P. Gorskyi. - New York: Nova Publishers, 2014. - Vol. XIV. - 352 p.
17. Sano, S. Development of high-efficiency thermoelectric power generation system [Text] / S. Sano, H. Mizukami, H. Kaibe // KOMATSU Technical Report. - 2003. - Vol. 49, № 152. - P. 1-7.
18. DiSalvo, F. J. Thermoelectric Cooling and Power Generation [Text] / F. J. DiSalvo // Science. - 1999. - Vol. 285, № 5428. - P. 703-706. doi:10.1126/science.285.5428.703
19. Wereszczak, A. A. Thermoelectric Mechanical Reliability [Text] / A. A. Wereszczak, H. Wang // Vehicle Technologies Annual Merit Reviewand Peer Evaluation Meeting. - Arlington, 2011. - 18 p.
20. Thermoelectric Cooler Reliability Report [Text]. - Melcor Corporation, 2002. - 36 p.
21. Choi, H.-S. Prediction of reliability on thermoelectric module through accelerated life test and Physics-of-failure [Text] / H.-S. Choi, W.-S. Seo, D.K. Choi // Electronic Materials Letters. - 2011. - Vol. 7, № 3. - P. 271-275. doi:10.1007/s13391-011-0917-x
22.
