CC BY
7
Б01: 10.15587/2312-8372.2017.100058
НАДЕЖНОСТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ АНАЛИЗ КОНСТР!___,
ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ ОДНОКАСКАДНОГО ОХЛАДИТЕЛЯ
Зайков В. П., Мещеряков В. И., Журавлев Ю. И.
1. Введение
Ужесточение требований к современной радиоэлектронной аппаратуре и повышение ее сложности приводит к снижению показателей надежности. Особенно это касается теплонагруженных элементов, которые не могут функционировать без систем обеспечения тепловых режимов, поскольку повышение тепловой нагрузки существенно влияет на их жизнеспособность. Наиболее перспективными системами данного типа являются термоэлектрические охладители (ТЭУ), которые отличаются от воздушных и жидкостных систем малыми габаритами и массой, повышенной надежностью. Это обусловлено тем, что в термоэлектрических охладителях отсутствуют подвижные компоненты, что обеспечивает надежное функционирование в условиях вибраций, положения в пространстве, изменении давления внешней среды. Поскольку по модели надежности теплонагруженный элемент и термоэлектрический охладитель включены последовательно, показатели надежности охладителя непосредственно сказываются на интенсивности отказов теплонагруженных элементов и всей системы в целом. Результатом может стать не только выход из строя электронной системы управления объектом, но и аварии объекта, приводящие к значительным материальным затратам и человеческим жертвам. Поэтому вопросы повышения показателей надежности термоэлектрических охладителей как систем обеспечения тепловых режимов теплонагруженных элементов являются актуальными.
2. Объект исследования и его технологический аудит
Объектом исследования является модель связи показателя надежности с энергетическими показателями и конструктивными параметрами термоэлементов термоэлектрического охладителя.
В термоэлектрическом приборостроении используются различные унифицированные конструкции модулей и устройства на их основе с различной геометрией (отношением длины к сечению) ветвей термоэлементов. Поэтому перед разработчиком аппаратуры возникает вопрос выбора оптимальной геометрии ветвей термоэлементов с учетом весомости каждого из ограничительных факторов и различных условий функционирования. Вопросы влияния геометрии термоэлементов на холодопроизводительность рассмотрены достаточно детально [1], однако связь с показателями надежности термоэлектрического охладителя не исследована. Перспективность проблемы состоит в выявлении связи геометрии термоэлементов с показателями надежности, как одной из составляющих эксплуатационной надежности термоэлектрических охладителей.
дачи:
3. Цель и задачи исследования
Целью работы является сравнительный анализ моделей взаимосвяз1 зателей надежности и геометрии ветвей термоэлементов для повышения зателей надежности однокаскадного ТЭУ в различных условиях функционирования.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие за
1. Провести исследование взаимосвязи показателей надежности с энергетическими показателями и конструктивными параметрами ТЭ
2. Проанализировать влияние геометрии термоэлементов на энергетические и конструктивные показатели термоэлектрического охладителя для обеспечения выбора лучшего варианта по критерию минимума интенсивности отказов.
Перспективность термоэлектрических устройств охлаждения для фундаментальных приложений в системах обеспечения тепловых режимов основана на высоком быстродействии и простоте управления охладителем [2]. Одним из основных факторов, сдерживающих распространение термоэлектрического способа охлаждения, является более низкая холодопроизводительность по сравнению с компрессионными системами. Поэтому существенное внимание уделяется разработке материалов с повышенной термоэлектрической эффективностью [3]. Однако наиболее важным показателем ТЭУ является надежность [4], и, в первую очередь, эксплуатационная. Показатели надежности охладителя определяются значением тепловой нагрузки [5], режимом работы в диапазоне от максимальной холодопроизводительности до минимума интенсивности отказов [6], количеством термоэлементов [7], динамикой изменения рабочего тока [8]. Существенное влияние на показатели надежности оказывают и конструктивные особенности термоэлектрического охладителя [9]. Переход от объемной технологии построения термоэлектрических устройств к планар-ной представляет собой перспективное направление, однако при этом существенно ухудшается холодопроизводительность, что обусловлено повышением тепловых потерь между обкладками через термоэлементы [10]. Это привело к тому, что подавляющее большинство выпускаемых современных термоэлектрических охладителей изготавливаются по объемной технологии [11].
5. Методы исследования
В качестве методов исследования воспользуемся математическим моделированием [12], поскольку именно аналитический надежностно-ориентированный подход позволит получать решения, которые могут быть использованы на этапе проектирования. Это позволяет уже на этапе проектирования прогнозировать показатели надежности и сопоставлять проектные решения по критериям надежности и энергетическим показателям. Результатом является не только удешевление производства термоэлектрических охлаждающих устройств, но и повышение их эксплуатационной надежности.
5.1. Анализ моделей взаимосвязи показателей надежности с энергетическими показателями и конструктивными параметрами
Проведем анализ влияния геометрии ветвей термоэлементов на основные параметры и показатели надежности однокаскадного ТЭУ для различных перепадов температуры АТ в диапазоне от 0 до 60 К. Для этого воспользуемся соотношениями [12].
Холодопроизводительность ТЭУ Q0 можно записать в виде выражения:
О, = «СхЯ(2В - В2 - 0) = пу(2В - В2 - 0), (1)
где п - количество термоэлементов, шт.;
/тах=ёТ0/Я - максимальный рабочий ток, А;
Я=-1— электрическое сопротивление ветви термоэлемента, Ом; у Б
ё, с - усредненные значения коэффициента термо-эдс, В/К, и электропроводности, См/см, ветви термоэлемента соответственно; Т0 - температура теплопоглощающего спая, К; В - относительный рабочий ток В=///тах, отн. ед.; / - величина рабочего тока, А;
0 - относительный перепад температуры, 0=ЛТ/ДТтах=(Т-То)/ДТтах, отн. ед.;
Т - температура тепловыделяющего спая, К;
АТтах - максимальный перепад температуры, АТтах = 0,5ГТ02, К;
- усредненная термоэлектрическая эффективность ветви термоэлемента,
1/К;
у - максимальная термоэлектрическая мощность охлаждения, у = /1ХЕ=ёСтЦБЦ Вт.
Мощность потребления ТЭУ Ж и холодильный коэффициент Е определяются выражениями [12]:
Ж=2пуВ(В+(ДТтах/То)/0). (2)
Е=Оо/Ж=(2В-В2-0)/2В(В+(АТтах/То)/0). (3)
Относительную величину интенсивности отказов Х/Х0 можно представить в виде [12]:
= * (0 + с)(в + (аТ„,Х К) 0)2 (4)
а (1+(атт) 0) т )
где Х0 - номинальная интенсивность отказов, 1/ч;
2
С - относительная величина тепловой нагрузки, С=О0/(п/ тах^)=О0/(пу);
КТ - коэффициент значимости, зависящий от температуры.
(5)
и показа-отношений
Вероятность безотказной работы ТЭУ можно определить по известной формуле [13]:
Р=ехр(-А/),
где ? - назначенный ресурс, ч.
В табл. 1-4 приведены результаты расчета основных парам--------
телей надежности однокаскадного ТЭУ, полученные для различ ¡/Б режимах работы от 0ОтаХ до Хтт.
При одинаковой тепловой нагрузке Q0 и перепаде температуры АТ для различной геометрии ветви термоэлемента ¡/Б величина:
Таблица 1
Результаты расчета основных параметров и показателей надежности термоэлектрического устройства, полученные для различных отношений ¡/Б при Q0=2,0 Вт; Г=300 К; АТ=10 К; АТтах=101 К; 0=0,1; =2,4-10-3 1/К; ё=1,99-10-4 В/К ; ст=920 См/см; ^0=3-10-8 1/ч; ?=104 ч
иу=сопБ1.
(6)
//Б, см-1 Режим работы В, отн. ед. I, А и, В Ж, Вт п, ^штЧ Ы08, 1/ч Р axЪ, мм
40,0 /тах=1,33 А; Я=43,5-10-3 Ом; у=0,077 Вт
Q0max 1,0 1,33 3,4 4,60 28,9 0,435 29,1 87,3 0,9913 1,0x1,0
(©0/1)тах 0,316 0,42 2,45 1,03 60,2 1,94 0,37 1,11 0,999889
^0/1 )тах 0,10 0,133 4,51 0,60 289 3,33 0,0094 0,028 0,9999972
^тт 0,071 0,094 8,64 0,812 709 2,46 0,0052 0,0155 0,99999845
20,0 /тах=2,66 А; Я=21,7-10-3 Ом; у=0,154 Вт
Q0max 1,0 2,66 1,73 4,60 14,5 0,435 14,6 43,8 0,9956 1,41x1,41
(Q0/1)тах 0,316 0,82 1,23 1,03 30,2 1,94 0,185 1,555 0,999944
^0/1 )тах 0,10 0,266 2,26 0,60 144,7 3,33 0,0047 0,0141 0,9999986
^тт 0,071 0,189 4,30 0,812 336 2,46 0,00245 0,00735 0,99999926
10,0 /тах=5,29 А; Я=10,9-10-3 Ом; у=0,305 Вт
Q0max 1,0 5,29 0,87 4,60 7,30 0,435 7,35 22,0 0,9978 2,0x2,0
©0/1)тах 0,316 1,67 0,62 1,03 15,1 1,94 0,093 0,28 0,999970
^0/1 )тах 0,10 0,53 1,13 0,60 72,2 3,33 0,00235 0,0070 0,9999993
^тт 0,071 0,376 2,16 0,812 167,0 2,46 0,00122 0,00366 0,99999963
4,5 /тах=11,8 А; Я=4,89-10-3 Ом; у=0,681 Вт
Q0max 1,0 11,8 0,39 4,60 3,3 0,435 3,32 9,97 0,9990 3,0x3,0
©0/1)тах 0,316 3,73 0,28 1,03 6,8 1,94 0,042 0,125 0,999997
^0/1 )тах 0,10 1,18 0,51 0,60 32,6 3,33 0,00106 0,0032 0,99999970
^тт 0,071 0,84 0,97 0,812 75,1 2,46 0,00055 0,00164 0,99999984
2,0 /тах=26,6 А; Я=2,17-10-3 Ом; у=1,54 Вт
Q0max 1,0 26,6 0,173 4,60 1,45 0,435 1,46 4,38 0,99956 4,5x4,5
^0/!)тах 0,316 8,40 0,123 1,03 3,0 1,94 0,019 0,057 0,9999943
(Qo/I )тах 0,10 2,66 0,23 0,60 14,5 3,33 0,00047 0,00141 0,99999986
^тт 0,071 1,89 0,43 0,812 33,4 2,46 0,00024 0,00073 0,99999993
Таблица 2
Результаты расчета основных параметров и показателей надежности термоэлектрического устройства, полученные для различных отношений ¡/Б при
00=2,0 Вт; 7=300 К; ДТ=20 К; ДТтах=93,3 К; 0=0,214; = 2,4-10-3 1/К
ё=1,97-10-4 В/К; ст=940 См/см; ^=3-
0-8 1/ч; ¿=104 ч
//Б, см-1 Режим работы В, отн. ед. I, А и, В Ж, Вт п, шт. Е М0 Ы08, 1/ч Р axЪ, мм
40,0 /тах=1,295 А; Я=42,6-10-3 Ом; у=0,07] Вт
00тах 1,0 1,295 4,2 5,45 35,4 0,367 35,4 106,2 0,9894 1,0x1,0
(00/1)тах 0,463 0,60 3,33 2,0 55,8 1,0 1,35 л 14,0 0,99960
(00/1 )тах 0,214 0,28 5,3 1,45 166,4 1,38 0,21 0,63 0,999937
^тт 0,146 0,19 11,7 2,23 493 0,90 0,118 0,354 0,999965
20,0 /тах=2,6 А; Я=21,3-10-3 Ом; у=0,144 Вт
00тах 1,0 2,6 2,10 5,45 17,8 0,367 17,8 53,4 0,9947 1,40x1,40
(00/1)тах 0,463 1,20 1,67 2,0 28,2 1,0 1,08 3,2 0,99968
(00/1 )тах 0,214 0,56 2,64 1,45 83,2 1,38 0,104 0,31 0,999970
^тт 0,146 0,38 5,90 2,23 247 0,90 0,059 0,177 0,999982
10,0 /тах=5,2 А; Я=10,64-10-3 Ом; у=0,288 Вт
00тах 1,0 5,2 1,05 5,45 8,9 0,367 10,8 32,3 0,9968 2,0x2,0
(00/1)тах 0,463 2,41 0,83 2,0 14,1 1,0 0,54 1,62 0,99984
(00/1 )тах 0,214 1,11 1,31 1,45 41,6 1,38 0,52 0,156 0,999984
^тт 0,146 0,76 2,90 2,23 123 0,90 0,030 0,089 0,9999911
4,5 /тах=11,5 А; Я=4,8-10-3 Ом; у=0,635 Вт
00тах 1,0 11,5 0,47 5,45 4,0 0,367 4,0 12,1 0,9988 3,0x3,0
(00/1)тах 0,463 5,32 0,38 2,0 6,0 1,0 0,23 0,68 0,999932
(00/1 )тах 0,214 2,46 0,59 1,45 17,6 1,38 0,022 0,066 0,9999934
^тт 0,146 1,68 0,33 2,23 52,2 0,90 0,0125 0,038 0,9999963
2,0 /тах=25,9 А; Я=2,13-10-3 Ом; у=1,53 Вт
00тах 1,0 25,9 0,21 5,45 1,8 0,367 1,82 4,46 0,99945 4,5x4,5
(00/1)тах 0,463 12,0 0,17 2,0 2,8 1,0 0,11 0,32 0,999968
(00/1 )тах 0,214 5,54 0,26 1,45 8,3 1,38 0,010 0,03 0,999997
^тт 0,146 3,78 0,60 2,23 24,7 0,90 0,0059 0,018 0,9999982
Таблица 3
Результаты расчета основных параметров и показателей надежности термоэлектрического устройства, полученные для различных отношений ¡/Б при 00=2,0 Вт; 7=300 К; ДТ=40 К; ДТтах=79,8 К; 0=0,5; = 2,37-10-3 1/К;
ё=1,94-10-4 В/К ; ст=980 См/см
¡/Б, см-1 Режим работы В, отн. ед. I, А и, В Ж, Вт п, шт. Е ХА0 Ы08, 1/ч Р axЪ, мм
1 [ 2 к 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
40,0 1тах=1,295 А; Я=42,6-10-3 Ом; у=0,071 Вт
00тах 1,0 1,24 7,45 9,24 64,0 0,216 65,4 196,2 0,9806 1,0x1,0
(00/1)тах 0,71 0,88 6,7 5,90 76,7 0,34 20,4 61,2 0,9939
(00/1 )тах 0,50 0,62 8,4 5,21 128,0 0,38 7,98 23,6 0,9976
^тт 0,40 0,49 12,8 6,34 229 0,315 5,52 16,6 0,99
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
20,0 /тах=2,6 А; Я=21,3-10-3 Ом; у=0,144 Вт
00тах 1,0 2,47 3,74 9,24 32,0 0,216 32,7 98,1 0,9902 1,40x1,4 0
(00/1)тах 0,71 1,75 3,40 5,90 38,5 0,34 10,2 30,6 0,9969
(00/1 )тах 0,50 1,24 4,22 5,21 64,0 0,38 3,94 11,8 0,9988
^тт 0,40 1,0 6,40 6,27 114,3 0,32 2,76 8,30 0,99917
10,0 /тах=5,2 А; Я=10,64-10-3 Ом; 7=0,288 Вт
00тах 1,0 4,95 1,87 9,24 16,1 0,216 16,45 49,4 0,9951 г 2,0x2,0
(00/1)тах 0,71 3,50 1,70 5,90 19,3 0,34 5,1 15,4 0,9985
(00/1 )тах 0,50 2,48 2,10 5,21 32,1 0,38 1,98 5,94 0,99941
^тт 0,40 2,0 3,20 6,27 57,4 0,32 1,39 4,20 0,99958
4,5 /тах=11,5 А; Я=4,8-10-3 Ом; 7=0,635 Вт
00тах 1,0 11,0 0,84 9,24 7,2 0,216 7,40 22,1 0,9978 3,0x3,0
(00/1)тах 0,71 7,8 0,76 5,90 8,7 0,34 2,30 6,9 0,99931
(00/1 )тах 0,50 5,50 0,95 5,21 14,4 0,38 0,89 2,67 0,99973
^тт 0,40 4,4 1,44 6,27 25,8 0,32 0,625 1,87 0,99981
2,0 /тах=25,9 А; Я=2,13-10-3 Ом; у=1,53 Вт
00тах 1,0 25,2 0,37 9,24 3,2 0,216 4 3,27 3,27 0,9990 4,5x4,5
(00/1)тах 0,71 17,5 0,34 5,90 3,9 0,34 1,02 1,02 0,99970
(00/1 )тах 0,50 12,4 0,42 5,21 6,4 0,38 0,40 0,40 0,99988
^тт 0,40 10,0 0,64 6,27 11,5 0,32 0,28 0,28 0,999917
Таблица 4
Результаты расчета основных параметров и показателей надежности термоэлектрического устройства, полученные для различных отношений ¡/Б при 00=2,0 Вт; Г=300 К; ДТ=60 К; Д7тах=бб,8 К; 0=0,9; = 2,32-10-3 1/К; ё=1,89-10-4 В/К; а= 1030 См/см; Х0=3-10-8 1/ч; ¿=104 ч
¡/Б, см-1 Режим работы В, отн. ед. I, А и, В Ж, Вт п, шт. Е ХА0 Ы08, 1/ч Р ахЬ, мм
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
40,0 1тах=1,295 А; Я=42,6-10-3 Ом; 7=0,071 Вт
00тах 1,0 к 1,17 42,7 50,0 378 0,040 391 1172 0,8894 1,0x1,0
(00/1)тах 0,95 1,11 42,3 47,0 389 0,043 333 998 0,9050
(00/1 )тах 0,90 п 1,05 43,9 46,1 420 0,043 295 884 0,9154
^■тт 0,855 1,0 47,9 47,9 477,8 0,042 277 830 0,9204
20,0 1тах=2,6 А; Я=21,3-1 Ю-3 Ом; у=0,144 Вт
00тах 1,0 2,34 21,4 50,0 189 0,040 195 586 0,9431 1,40x1, 40
(00/1)тах 0,95 2,22 21,2 47,0 195 0,043 166 500 0,9512
(00/1 )тах 0,90 2,10 22,0 46,1 210 0,043 147 442 0,9568
^■тт 0,855 2,0 24,0 47,9 239 0,042 138 415 0,9594
10,0 1тах=5,2 А; Я=10,64-10-3 Ом; 7=0,288 Вт
00тах 1,0 4,67 10,7 50,0 94,3 0,040 97,6 293 0,9711 2,0x2,0
(00/1)тах 0,95 4,44 10,6 47,0 97,3 0,043 83,2 250 0,9753
(00/1 )тах 0,90 2,20 11, 0 46,1 105 0,043 73,7 221,1 0,9781
^■тт 0,855 4,0 12,0 47,9 119,4 0,042 69,2 207,5 0,9795
4,5 1тах=11,5 А; Я=4,8-1 Ю-3 Ом; у=0,635 Вт
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Q0max 1,0 10,4 4,81 50,0 42,5 0,040 44,0 132,0 0,9869
(Q0/I)max 0,95 9,88 4,76 47,0 43,8 0,043 37,5 112,4 0,9888 3,0x3,0
(Q0/I )max 0,90 9,36 4,93 46,1 47,2 0,043 33,2 99,6 0,9901
^■min 0,855 8,89 5,39 47,9 53,8 0,042 31,1 93,3 0,9907
2,0 Imax =25,9 А; R=2,13-10-3 Ом; y=1,53 Вт
Q0max 1,0 23,4 2,14 50,0 18,9 0,040 19,6 58,7 0,9941
(Q0/I)max 0,95 22,2 2,12 47,0 19,5 0,043 16,6 50,0 0,9950 4,5x4,5
(Q0/I )max 0,90 21,1 2,18 46,1 21,0 0,043 14,8 J 44,4/ 0,9956
^■min 0,855 20,0 2,40 47,9 23,9 0,042 13,8 41,4 0,9959
По приведенным в таблицах данным проведем сопоставительный анализ и представим результаты в виде графических зависимостей.
5.2. Анализ результатов моделирования
Анализ расчетных данных показал следующее.
Во всех исследованных режимах работы однокаскадного ТЭУ с уменьшением отношения ¡/Б ветви термоэлемента при фиксированном перепаде температуры ДГ и заданной тепловой нагрузке Q0.
- увеличивается максимальная мощность охлаждения у (рис. 1, кривая 1);
- уменьшается необходимое количество термоэлементов п (рис. 1, кривая 4);
- увеличивается величина максимального рабочего тока /тах (рис. 1, кривая 2);
- уменьшается величина электрического сопротивления Я (рис. 1, кривая 3);
- уменьшается величина падения напряжения V;
- уменьшается интенсивность отказов X (рис. 2);
- увеличивается вероятность безотказной работы Р (рис. 3).
Такие величины, как у, Я, /тах, не зависят от режима работы.
Рис. 1. Зависимость величин у, Imax, n, R однокаскадного охладителя от отношения l/S при 7=300 К; Q0=2,0 Вт; А7=40 К; 1=4 мм для различных режимов работы: Qomax и Xmm. 1 - Y, 2 - Imax, 3 - R, 4 - П
Рис. 2. Зависимость относительной интенсивности отказов А/А0 однокаскадного охладителя от отношения 1/Б при 7=300 К; ^0=2,0 Вт; АТ=40 К для различных режимов работы: 1 - 00шах; 2 - (00/1)тях; 3 - ^/1 )тах; 4 АШШ
0,992
0,990
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Ц$
Рис. 3. Зависимость вероятности безотказной работы Р однокаскадного охладителя от отношения 1/Б при Т=300 К; ^0=2,0 Вт; АТ=40 К для различных режимов работы: 1 - 00шах; 2 - (00//)Шах;
4 Ашш
Во всех исследованных режимах работы однокаскадного ТЭУ с ростом перепада температуры ДТ при заданной тепловой нагрузке Q0 для различных фиксированных значений отношения 1/Б ветви термоэлемента:
- уменьшается максимальная мощность охлаждения у (рис. 4);
- функциональная зависимость и=ДДТ) в ТЭУ имеет ярко выраженный минимум (кроме режима Q0шax), что можно объяснить наличием максимума хо-лодопроизводительности при оптимальном значении ДТ (рис. 5);
- увеличивается величина максимального рабочего тока I шах (рис. 6);
- уменьшается холодильный коэффициент Е (рис. 7);
у, Вт
1,2 0,8 0.4 0,0
//5=2,0
4,5
10
—20 —
-40 —
10
20
30
40
50
17У1
Рис. 4. Зависимость максимальной мощности охлаждения у однокаскадного охладителя от перепада температуры АТ для различных значений отношения ¡/Б
при Т=300 К; бо=2,0 Вт; ¡=4 мм
- увеличивается (кроме режима 00тах) относительный рабочий ток В (рис. 8);
- увеличивается интенсивность отказов Х/Х0 (рис. 9);
- уменьшается вероятность безотказной работы Р (рис. 10).
п, шт.
240 200 160 120 80 40 0
\ 3 4 \ 'III
У
//
2
" Р
10 20 30 40 50 АТ, К
Рис. 5. Зависимость количества термоэлементов п однокаскадного охладителя от перепада температуры АТ при Т=300 К; ^0=2,0 Вт; ¡/Б=40 для различных режимов работы. 1 - 00тах; 2 - (00//)тах;
4 ^тт
20
15
10
5 -
—
1/8 = 2,0
4.5
10
10
лп
/ /
д т, к
шах однокаскадного охлади-
10 20 30 40 50
Рис. 6. Зависимость максимального рабочего тока I теля от перепада температуры АТ при Т=300 К; Q0=2,0 Вт; /=4 мм для различ
ных значений //Б
10 20 .10 40 50 АТ, К
Рис. 7. Зависимость холодильного коэффициента Е однокаскадного охладителя от перепада температуры АТ при Т=300 К; Q0=2,0 Вт; /=4 мм для различных значений И Б и различных режимов работы: 1 - 6>отах; 2 - (Оо/1)тах; 3 - (О0/1 )тах; 4 - /Чпт
1
2/
1 у /
4
и 10 20 30 40 50 60 АТ, К
Рис. 8. Зависимость относительного рабочего тока В однокаскадного охладителя от перепада температуры АТ при Т=300 К; Q0=2,0 Вт; //Б=уаг для различных режимов работы: 1- Qоmax (5=1); 2 - ^/1)шах; 3 - ^/1 )шах;
4 Ашт
50
Х/Хо 100 -80 -60 -40 -20
О -Е
10
Рис. 9. Зависимость относительной интенсивности отказов А/А0 однокаскадного охладителя от перепада температуры АТ при Т=300 К; ^0=2,0 Вт для различных
значений ИБ в режиме 00тах
Р
0.996 0,992 0,988 0,984 0,980
10 20 30 40 50 АТ. К Рис. 10. Зависимость вероятности безотказной работы Р однокаскадного охладителя от перепада температуры АТ при Т=300 К; ^0=2,0 Вт для различных значений ИБ в режиме 00тах
Величины максимальной термоэлектрической мощности охлаждения у и максимального рабочего тока /тах не зависят от режима работы.
6. Результаты исследования
Рассмотрим возможность выбора варианта конструкции однокаскадного ТЭУ, обеспечивающего повышенные показатели надежности при приемлемом энергопотреблении и массогабаритных характеристиках.
В табл. 5 приведены результаты расчета основных параметров и показателей надежности однокаскадного ТЭУ, полученные для режимов максимальной энергетической эффективности )тах и минимальной интенсивности отказов Ат1П. Исходные данные и ограничивающие факторы:
- тепловая нагрузка 00=2,0 Вт;
- рабочий перепад температуры А 7=40 К;
- температура тепловыделяющего спая 7=300 К;
- величина рабочего тока I не более 5 А;
- интенсивность отказов X не более 10-10"
- падение напряжения U не менее 1,5 В.
1/ч;
Результаты расчета основных параметров и показателей надежно ля, полученные для режимов ^0//2)тах и 1т!п при Qo=2,0 Вт; T=3
К; 0=0,5; /=4 мм
А/
Таблица 5
ти охладите-
T =40
1 max
l/S, см- 1 Режим работы B, отн. ед. I, А U, В W, Вт n, шт. E X/^0 Ы08, 1/ч P axb, мм Наименование модулей и их количество в ТЭУ
20 (Ö0/l2)max 0,5 1,2 4,2 5,2 64,0 0,38 3,9 11,8 0,9988 1,4x1,4 2 М20-27 2 М20-5
^min 0,4 1,0 6,4 6,3 114 0,32 2,8 8,3 0,99917 4 М20-27
10 (Ö0/l2)max 0,5 2,5 2,1 5,2 32 0,38 2,0 6,0 0,99941 2,0x2,0 1 М10-27 1 М10-5
^min 0,4 2,0 3,2 6,3 57 0,32 1,4 4,2 0,99958 2 М20-27
4,5 ^min 0,4 4,4 1,5 6,3 26 0,32 0,63 1,9 0,99981 3,0x3,0 1 М4,5-27
Из анализа данных следует, что с точки зрения надежности, энергопотребления и массогабаритных характеристик наиболее приемлемым вариантом является конструкция с одним унифицированным модулем М4,5-27. Геометрия ветвей термоэлементов модуля составляет /=4,5 мм, axb=3*3 мм. В этом случае ТЭУ состоит из одного модуля, что упрощает конструкцию термоэлектрической системы обеспечения тепловых режимов. Основные параметры термоэлектрического охладителя удовлетворяют выдвинутым требованиям:
- рабочий ток 1=4,4 А, что не превышает 5 А;
- падение напряжения соответствует требованию ?Т>1,5 В;
_8
- интенсивность отказов составляет Х=1,9 10 1/ч, что меньше требуемой
_8
величины 10-10 1/ч.
При этом потребляемая мощность составляет W=6,3 Вт, что на 20 % больше, чем в режиме наибольшей энергетической эффективности при минимальных массогабаритных характеристиках.
7. SWOT-анализ результатов исследований
Strengths. Сильной стороной данного исследования является доказательство возможности повышения показателей надежности термоэлектрического охладителя путем вариации геометрии термоэлементов. Подход не требует изменения технологии изготовления охладителей и материала термоэлементов. Процесс расчета геометрии термоэлементов можно производить на стадии автоматизированного проектирования термоэлектрических охладителей. Это поз-
воляет прогнозировать показатели надежности термоэлектрических охладителей еще до производства изделий.
Weakness. Слабой стороной данного исследования является тот факт, что при определении показателей надежности не учитываются адгезионные свойства связи термоэлемента с подложкой, которые должны меняются при уменьшении площади среза термоэлемента. Проведенные ранее экспериментальные исследования не выявили количественной связи между площадью среза термоэлемента и показателями надежности термоэлектрического охладителя. Эта составляющая не учитывается используемой моделью и требует дополнительных исследований.
Opportunities. Дополнительные возможности по повышению показателей надежности термоэлектрических охладителей состоят в учете в алгоритме автоматизированного проектирования, кроме геометрии термоэлементов, влияния тепловой нагрузки, термоэлектрической эффективности материала, режимов работы. Результатом такого подхода является повышение качественных показателей (эксплуатационной надежности) выпускаемых предприятием термоэлектрических охлаждающих устройств без изменения технологии изготовления и используемых термоэлектрических материалов.
Threats. Сложности практического использования полученных результатов связаны с необходимостью включения в цикл автоматизированного проектирования алгоритмов оптимизационных расчетов геометрии термоэлементов и энергетических показателей функционирования термоэлектрического охладителя. Поэтому в дальнейшем представляется необходимым создание комплексной надежностно-ориентированной модели и алгоритма проектирования охладителей на ее основе. Предприятие несет затраты лишь на приобретение дополнительного программного продукта для системы автоматизированного проектирования термоэлектрических охладителей.
Таким образом, SWOT-анализ позволяет определить основные этапы для повышения качества проектирования, используя и предложенный вариант повышения показателей эксплуатационной надежности термоэлектрических охладителей.
8. Выводы
1. Представлена аналитическая модель, связывающая геометрию ветвей термоэлементов с основными параметрами и показателями надежности одно-каскадного термоэлектрического охладителя. Модель применима для режимов работы охладителя от максимума холодопроизводительности до минимума ин-тенсивностей отказов, перепада температуры от 0 до 60 К, диапазонов рабочего токов от 0,1 до 12 А, напряжения питания 0,1-8 В, холодильного коэффициента от 0,43 до 3,3.
2. Показана возможность выбора варианта геометрии термоэлемента в диапазоне от 4,5 до 20, обеспечивающего снижение интенсивности отказов термоэлектрического охладителя более чем в 3 раза при приемлемом энергопотреблении и габаритных размерах.
Литература
1. Gromov, G. Obiemnye ili tonkoplenochnye termoelektricheskie moduli [Text] / G. Gromov // Components & Technologies. - 2014. - № 8. - P. 108-113.
2. Zebarjadi, M. Perspectives on thermoelectrics: from fundamentals to device applications [Text] / M. Zebarjadi, K. Esfarjani, M. S. Dresselhaus, Z. F. Ren,
G. Chen // Energy Environ. Sci. - 2012. - Vol. 5, № 1. - P. 5147-5162. doi:10.1039/c1ee02497c
3. Jurgensmeyer, A. L. High Efficiency Thermoelectric Devices Fabricated Using Quantum Well Confinement Techniques [Text] / A. L. Jurgensmeyer. - Colorado State University, 2011. - 54 р.
4. Zhang, L. Approach on thermoelectricity reliability of board-level backplane based on the orthogonal experiment design [Text] / L. Zhang, Z. Wu, X. Xu,
H. Xu, Y. Wu, P. Li, P. Yang // International Journal of Materials and Structural Integrity. - 2010. - Vol. 4, № 2/3/4. - P. 170-185. doi:10.1504/ijmsi.2010.035205
5. Zaykov, V. Thermal load influence on reliability parameters of two-stage thermoelectric cooling devices [Text] / V. Zaykov, V. Mescheryakov, V. Ignatovskaya // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. - 2011. -№ 4/9 (52). - P. 34-38. - Available at: \www/URL: http://journals.uran.ua/ eejet/article/view/1477
6. Rowe, D. Materials, Preparation, and Characterization in Thermoelectrics [Text] / ed. by D. Rowe // Thermoelectrics and its Energy Harvesting, 2 Volume Set. - CRC Press, 2012. - 1120 р. doi:10.1201/b11891
7. 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
8. 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
9. Wereszczak, A. A. Thermoelectric Mechanical Reliability [Text] / A. A. Wereszczak, Н. Wang // Vehicle Technologies Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting. - Oak Ridge National Laboratory, 2011. - 18 р.
10. Singh, R. Experimental characterization of thin film thermoelectric materials and film deposition via molecular beam epitaxy [Text] / R. Singh. - Santa Cruz: University of California, 2008. - 158 р.
11. Thermoelectric modules market. Analytical review [Text]. - Moscow: RosBussinessConsalting, 2009. - 92 р.
12. Zaykov, V. P. Prognozirovanie pokazatelei nadezhnosti termoelektrich-eskih ohlazhdaiushchih ustroistv [Text]. Kniga 1. Odnokaskadnye ustroistva / V. P. Zaykov, L. A. Kinshova, V. F. Moiseev. - Odessa: Politehperiodika, 2009. -120 p.
13. Yampurin, N. P. Osnovy nadezhnosti elektronnyh sredstv [Text] / N. P. Yampurin, A. V. Baranova. - Moscow: Akademiia, 2010. - 240 p.
