CC BY
4Научная статья УДК 536.587:537.322 doi:10.24151/1561-5405-2024-29-5-625-639 EDN: GIZDIL
Термоэлектрические системы для прецизионного регулирования температуры
Ю. И. Штерн, М. Ю. Штерн, М. С. Рогачев, Я. С. Кожевников
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Аннотация. При создании прецизионных систем регулирования температуры необходимо учитывать множество факторов, которые влияют на функциональные и эксплуатационные характеристики термоэлектрических систем. В работе рассмотрено метрологическое обеспечение для исследования и контроля параметров термоэлектрических материалов, структур и приборов на всех этапах разработки и изготовления термоэлектрических систем. Представлены разработанные и полученные эффективные наноструктурированные материалы на основе BiTeSe и BiSbTe с безразмерной термоэлектрической добротностью 1,16 и 1,24 соответственно. Проведены комплексные исследования данных материалов, определены механизмы электро- и теплопроводности, установлена взаимосвязь между структурой и их параметрами. Разработана технология металл-диэлектрических коммутационных матриц на основе оксидированных сплавов алюминия для термоэлектрических модулей. Определена кинетика роста пористых анодных оксидных пленок на сплавах алюминия. Обоснованы способы формирования и применения материалов контактов в термоэлектрических модулях, удельное контактное сопротивление которых равно 10-9 Омм2, а адгезионная прочность составляет до 19 МПа. Разработана технология герметизации термоэлектрических модулей с повышенной надежностью и механической прочностью. Определены и обоснованы критерии проектирования, на основе которых изготовлены источники питания для термоэлектрических систем с низким уровнем пульсаций (0,3 %) и высоким КПД (93 %). Для расчета температуры в электронных термометрах разработаны и подтверждены математические модели, позволяющие определять температуру с точностью до 5 10-3 К. Представленные высокоточные электронные средства измерения температуры, а также прецизионные термоэлектрические термостаты, калибраторы, камеры тепла и холода имеют рабочие температуры от -50 до +60 °С.
Ключевые слова: прецизионная термоэлектрическая система, термоэлектрические материалы, термоэлектрические модули, термоэлектрические приборы
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 20-19-00494).
© Ю. И. Штерн, М. Ю. Штерн, М. С. Рогачев, Я. С. Кожевников, 2024
Для цитирования. Штерн Ю. И., Штерн М. Ю., Рогачев М. С., Кожевников Я. С. Термоэлектрические системы для прецизионного регулирования температуры // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 5. С. 625-639. https://doi.org/10.24151/ 1561-5405-2024-29-5-625-639. - EDN: GIZDIL.
Original article
Thermoelectric systems for precision temperature control
Yu. I. Shtern, M. Yu. Shtern, M. S. Rogachev, Ya. S. Kozhevnikov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia [email protected]
Abstract. Upon creation of precision temperature control systems it is necessary to consider many factors affecting the functional and operational characteristics of thermoelectric systems. In this work, the created metrological assurance for studying and monitoring the parameters of thermoelectric materials, structures and devices at all stages of the development and production of thermoelectric systems is considered. The developed and obtained effective nanostructured materials on the basis of BiTeSe and BiSbTe with dimensionless thermoelectric figure of merit of 1.16 and 1.24, respectively, are presented. Complex studies of these materials were carried out, the mechanisms of electrical and thermal conductivity were determined, and the relationship between their structure and parameters was established. The technology of metal-dielectric commutation matrices based on oxidized aluminum alloys for thermoelectric modules was developed. The kinetics of growth of porous anodic oxide films on aluminum alloys was determined. Connection formation techniques and employed contact materials in thermoelectric modules are substantiated, the specific contact resistance of which is 10-9 Ohm m2 and the adhesion strength is up to 19 MPa. A technology for sealing thermoelectric modules with increased reliability and mechanical strength was developed. Design criteria were determined and justified, based on which the power supplies for thermoelectric systems were manufactured, having low pulsation level (0.3 %) and high efficiency (93 %). To calculate temperature in electronic thermometers mathematical models allowing the temperature determination within the accuracy of 5 10-3 K have been developed and justified. The presented high-precision electronic temperature measuring instruments, as well as precision thermoelectric thermostats, calibrators, heat and cold chambers have operating temperatures ranging from -50 to +60 °C.
Keywords, precision thermoelectric system, thermoelectric materials, thermoelectric modules, thermoelectric devices
Funding: the work has been supported by the Russian Science Foundation (project no. 20-19-00494).
For citation. Shtern Yu. I., Shtern M. Yu., Rogachev M. S., Kozhevnikov Ya. S. Thermoelectric systems for precision temperature control. Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 5, pp. 625-639. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-5-625-639. -EDN. GIZDIL.
Введение. Прецизионное регулирование и стабилизация температуры [1-6] - перспективное направление развития термоэлектричества. Термоэлектрические системы характеризуются уникальной способностью высокоточного регулирования температуры. При создании эффективных термоэлектрических систем важным является метрологическое обеспечение на всех стадиях их разработки и производства. В связи с этим необходимы разработка соответствующих методик и изготовление высокоточных измерительных комплексов. Анализируя современное состояние термоэлектрического материаловедения, следует отметить, что для повышения эффективности термоэлектрических приборов и структур необходимы новые материалы с высокой термоэлектрической добротностью и новые методы их получения [7-12]. Промышленно производимые твердые растворы на основе халькогенидов висмута и сурьмы различных типов проводимости наиболее эффективны для низкотемпературных термоэлектрических систем [8, 9, 13, 14]. При этом основное направление повышения термоэлектрической добротности - снижение теплопроводности с использованием наноструктурированных термоэлектрических материалов [7, 8, 10, 15, 16]. Однако данные материалы практически не реализуются. Связано это с тем, что на сегодняшний день отсутствует полное понимание механизмов теплопроводности, переноса и рассеяния носителей в этих сложных материалах, а также влияния особенностей наноструктуры на стабильность их свойств. Поэтому разработка управляемых процессов получения наноструктурирован-ных термоэлектрических материалов с воспроизводимыми свойствами - важная задача термоэлектрического материаловедения [10].
Цель настоящей работы - разработка физико-технологических основ создания термоэлектрических систем, включающих в себя все стадии производства, начиная от изготовления термоэлектрических материалов и структур на их основе и заканчивая производством оборудования.
Конструкция термоэлектрических модулей. Эффективность термоэлектрических систем зависит от конструкции и технологии изготовления термоэлектрических модулей, в частности от способов получения омических контактов в термоэлементах и коммутационных матриц, а также от технологии герметизации модулей. Контакты в термоэлементах должны иметь низкое удельное сопротивление и высокую адгезионную прочность [17-21]. Перспективно в качестве основы коммутационных матриц использовать металл-диэлектрические подложки с низким термическим сопротивлением и высокой механической прочностью. Такие матрицы позволяют изготавливать термоэлектрические модули, совмещенные с электронными приборами, например гибридными интегральными схемами и многослойными микросборками. Данная конструкция обеспечивает эффективный теплоотвод [22].
Термоэлектрические модули состоят из последовательно соединенных термоэлементов, которые объединяются в открытую электрическую цепь посредством коммутационных матриц. Термоэлектрические модули на эффекте Пельтье в основном работают при температурах, когда неизбежно образование влаги на элементах их конструкции, что отрицательно влияет на срок службы и отказоустойчивость. Кроме того, снижаются технические характеристики модулей. На основании этого необходимо решить вопрос герметизации модулей.
На работу термоэлектрических систем влияет качество источников питания, определяемое пульсациями выходного тока. Отметим, что данная проблема в литературе освещена недостаточно. Основным структурным элементом любой термоэлектрической системы, предназначенной для прецизионного регулирования температуры, являются высокоточные электронные средства измерения температуры. Поэтому необхо-
дима разработка оптимальных математических моделей для расчета температуры, схемотехнических решений для измерения параметров датчиков и аппаратно-программных средств, реализующих созданные математические модели в электронных термометрах [5]. Современное термическое оборудование работает посредством микропроцессорных систем. Однако проблема обратной связи этих систем с контролируемыми объектами мало изучена [4]. Для создания эффективных термоэлектрических систем с прецизионным регулированием температуры необходимы оригинальные конструкторско-технологические решения, обоснованные комплексным подходом в проектировании систем, работающих в условиях термоциклирования.
Методика эксперимента. Структурная схема термоэлектрической системы приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема термоэлектрической системы Fig. 1. Structural scheme of a thermoelectric system
Основа любой термоэлектрической системы - термоэлемент, определяющий ее эффективность. Термоэлемент образуют установленные на тепловыравнивающих пластинах (теплопроводах) термоэлектрические модули, из которых конструируют одно-
и многокаскадные блоки. В состав термоэлектрического охлаждающего устройства входят: термоэлектрические блоки, теплообменники, устройства принудительной циркуляции теплоносителя (вентиляторы, насосы), датчики температуры, теплоизоляция.
В процессе исследований использовали метрологическое обеспечение, позволяющее контролировать параметры материалов и комплектующих устройств на всех стадиях разработки и производства термоэлектрических систем. Метрологическое обеспечение включает в себя современное аналитическое оборудование, высококлассные измерительные приборы, методики и измерительные комплексы, программное обеспечение для автоматизации процессов измерений и расчета физических параметров. Для исследования состава и структуры термоэлектрических материалов использовали: растровый электронный микроскоп Jeol JSM-6480LV с приставкой для энергодисперсионной спектрометрии IncaDryCool, дифрактометр Bruker D8, оснащенный позиционно-чувствительным детектором LYNXEYE, просвечивающий электронный микроскоп Jeol JEM 2100. Теплоемкость термоэлектрических материалов исследовали на дифференциальном сканирующем калориметре Netzsch DSC 204 Fl Phoenix. Для исследования температурного коэффициента линейного расширения материалов при температурах выше 300 К использовали дилатометры ULVAC Sinku-Riko DL-1500RH и Linseis DIL L75PT. Для измерения данного коэффициента при температуре 200-450 К авторами настоящей статьи разработаны методика и измерительный комплекс с погрешностью, не превышающей 2 %. Для определения плотности синтезированных термоэлектрических материалов использовали метод гидростатического взвешивания, основанный на законе Архимеда. Концентрацию и подвижность носителей заряда материалов определяли с помощью метода, основанного на измерении эффекта Холла на установке Ecopia HMS-5000. Измерение микротвердости по Виккерсу проводили с использованием микротвердомера ПМТ-3М. Адгезионную прочность контактных систем определяли методом прямого отрыва по оригинальной методике с использованием датчика Force Gauge PCE-FM50. Погрешность измерения адгезии пленок составляет не более 10 %.
Термоэлектрические параметры материалов устанавливали на измерительных комплексах с погрешностями электропроводности и термоЭДС - 3 %, теплопроводности 5 % [23]. Исследование удельного контактного сопротивления в структуре контактная система - полупроводник с чувствительностью до 10-10 Ом-м2 проводили по методике, описанной в работе [17]. Также разработаны методики и аппаратно-программные комплексы для исследования влияния параметров и режимов питания на характеристики термоэлектрических устройств, исследования и калибровки средств измерения температуры, исследования функциональных и эксплуатационных характеристик приборов и устройств, входящих в структуру термоэлектрической системы [4, 5].
Результаты и их обсуждение. В наноструктурированных материалах дополнительно к рассеянию фононов на атомах замещения в твердых растворах происходит их рассеяние на кристаллитах, размеры которых соизмеримы с длиной свободного пробега фононов и составляют от 10 до 100 нм и которые определяют основной вклад в процесс переноса тепловой энергии (25-55 %) [7, 10]. При этом указанные размеры кристаллитов практически не рассеивают носители зарядов. Таким образом, управляя размерами структурных дефектов кристаллической решетки в наноструктурированных материалах, можно добиться эффективного рассеяния фононов.
Технология наноструктурированных термоэлектрических материалов включает в себя их синтез, последующее измельчение с получением нанодисперсного порошка, затем искровое плазменное спекание порошков. Разработаны составы и получены эффек-
тивные наноструктурированные материалы на основе BiTeSe, BiSbTe. Установлено влияние режимов получения наноструктурированных материалов на состав, структуру и термоэлектрические параметры [10]. Искровое плазменное спекание позволяет достигать плотность материала 98-99 % от теоретически возможной [10, 24]. Проведены исследования структуры, состава и свойств полученных материалов. Определены параметры решетки, установлено соответствие составов полученных материалов их составам после синтеза. Распределение элементов в термоэлектрических материалах однородно, образцы однофазные. Установлены размеры кристаллитов в наноструктурированных материалах [10]. Плотность наноструктурированных материалов составила 7,60 и 6,65 г/см3 для BiTeSe и BiSbТе соответственно. Концентрация носителей и их подвиж-
19 -3 2 • 19 -3
ность соответственно равны 3,12-10 см и 232 см/(В с) для BiTeSe и 3,37-10 см и 203 см2/(Вс) для BiSbTe. Микротвердость, измеренная по методу Виккерса, составила 33,5 и 44,4 для BiTeSe и BiSbТе соответственно. Экспериментальные значения удельной теплоемкости для различных составов в интервале температур 300-600 К изменялись незначительно в области значений 0,20 Дж/(г-К) ± 10 %.
Проведены исследования термоэлектрических параметров и рассчитана безразмерная термоэлектрическая добротность ZT наноструктурированных материалов В^Те2,^е0;2 (0,16 масс. % CdCl2) и В^,^Ь1,5Те3 (2,2 мас. % Те и 0,16 масс. % Те14), полученных из порошков с разной дисперсностью, определяемой временем помола, равным 20, 40, 60 мин (рис. 2). Результаты на рис. 2 приведены в сравнении с данными для термоэлектрических материалов одинакового состава, полученных зонной плавкой, позволяющей добиться максимальной эффективности поликристаллических термоэлектрических материалов [10, 23].
Рис. 2. Температурная зависимость ZT для BiTeSe (а) и BiSbTe (б), полученных из порошков с разным временем помола: ◊ - 20 мин, х - 40 мин, Д - 60 мин; о - зонная плавка Fig. 2. Temperature dependence ZT for BiTeSe (a) and BiSbTe (b) obtained from powders with different grinding times: ◊ - 20 min, х - 40 min, Д - 60 min; о - zone melting
На основании проведенного сравнительного анализа результатов комплексных исследований структуры, состава и физико-химических свойств термоэлектрических материалов установлена взаимосвязь между структурой и свойствами наноструктури-рованных материалов. У наноструктурированных материалов за счет снижения теплопроводности от 12 до 25 % при незначительном снижении электропроводности, не пре-
вышающем 1-4 %, параметр ZT по сравнению с термоэлектрическими материалами, полученными зонной плавкой, увеличивается от 10 до 24 % [10].
Для изготовления металл-диэлектрических коммутационных матриц использовали подложки алюминиевых сплавов АМц-2М и АМг-3М со сформированными электрохимическим способом пористыми анодными оксидными пленками (АОП). Электрохимическое оксидирование проводили в гальваностатическом режиме в щавелевокислом электролите при плотностях тока 1,5-2,0 А/дм . Установлена кинетика роста АОП в зависимости от времени оксидирования т (рис. 3, а). Следует отметить смещение границы раздела металл - оксид, что приводит к изменению толщины металл-диэлектрической подложки. Как видно из диаграммы (см. рис. 3, а), граница раздела металл - оксид перемещается в глубь подложки. На рис. 3, б представлены результаты исследований ВАХ АОП, полученных при плотности тока 2 А/дм . Из рисунка видно, что пробой оксидной пленки толщиной 3 мкм наступает при 200 В, пленки толщиной 8 мкм - при 580 В, а пленок 15 и 25 мкм - при 800 и 1000 В соответственно.
Рис. 3. Диаграмма роста АОП при плотности тока 2,0 A/дм (а) и ВАХ АОП
разной толщины (б) Fig. 3. Growth diagram of anodic oxide film at a current density of 2.0 A/dm2 (a) and volt-ampere characteristics of AOFs with various thicknesses (b)
Плотность пор в АОП составляла 109-1010 пор/см2, объем равен 36 % объема АОП. Наличие пор в оксидном слое оказывает положительное влияние на механическую прочность системы АОП - металлическая подложка, так как поры выполняют роль демпфера и компенсируют термические напряжения, возникающие из-за существенной разности температурного коэффициента линейного расширения Al (26 10-6 К-1) и Al2O3 (7 10-6 К-1). Испытания в режиме многократного термоциклирования в интервале температур 170-700 К показали, что полученные металл-диэлектрические подложки не деформируются [22]. Коммутационные элементы на металл-диэлектрических подложках формировали магнетронным напылением меди. Адгезионный подслой выполнен из ванадия. Получена высокая адгезионная прочность металлических пленок (до 25 МПа).
Формирование контактов к термоэлектрическим материалам проводили магнетронным напылением и электронно-лучевым испарением никеля. Установлено, что на границе контакта образуются интерметаллические соединения никеля с компонентами термоэлектрического материала. Образование химических связей на начальной стадии формирования пленки способствует увеличению адгезии. Получены омические контак-
—9 2
ты с удельным сопротивлением ~ 10 Ом м и адгезионной прочностью не менее 18,7 МПа [17].
Для увеличения надежности термоэлектрических модулей, особенно в изделиях специального назначения, разработан способ герметизации их термоэлементов, позволяющий осуществлять эксплуатацию модулей при температурах от —60 до +80 °С в условиях влажности до 95 %. Способ включает в себя две стадии: защитное покрытие ветвей термоэлементов лаком УР-231 и герметизация термоэлектрического модуля герметиком ВГО-1.
Одна из причин возникновения эффекта Пельтье — постоянный ток, пропускаемый через термоэлемент. Тепло Пельтье QP пропорционально постоянной составляющей тока. Тепло Джоуля QJ, пропорциональное квадрату силы тока, негативно влияет на холодопроизводительность термоэлемента Q0. В связи с этим в определенных условиях теплообмена при достижении некоторого значения тока дальнейшее его увеличение приводит к снижению эффект охлаждения.
Тепловой баланс термоэлемента рассчитывается следующим образом:
во = вр - вJ - вг ,
где QF — тепло Фурье, определяемое тепловым потоком от горячего спая к холодному за счет разности температур.
Пульсации в токе питания термоэлемента не влияют на значение QP, они увеличивают только QJ. При этом потери холодопроизводительности от периодических пульсаций за период, равный 2я/ш, определяются по формуле
ы& = А1,
2ш
где Rte — электрическое сопротивление ветвей термоэлемента; /ссиы — постоянная составляющая тока; Аp — уровень пульсаций тока; ш — частота пульсаций.
Для устранения негативного влияния пульсаций на эффективность работы термоэлектрического модуля предложены критерии построения источников питания постоянного тока для прецизионных термоэлектрических систем, которые реализованы при создании импульсных регулируемых источников питания мощностью 800 и 1000 Вт, имеющих низкий уровень пульсации (0,3 %) и высокий КПД (87—93 %).
В процессе разработки термоэлектрических систем при комплексном подходе к решению задач измерения температуры созданы электронные средства измерения с высокой точностью [5], в которых использованы оригинальные схемотехнические решения. Проведены исследования разработанных датчиков температуры, в результате которых оптимизированы математические модели, реализованные с помощью разработанного программного обеспечения. Количество вычислительных операций в математической модели определяет быстродействие средства измерения, поэтому необходимо использование минимального количества преобразований при сохранении требуемой точности. При измерении температуры с помощью платинового тонкопленочного терморезистора в интервале температур от —60 до +200 °С с абсолютной погрешностью ±0,2 °С применяется следующая математическая модель:
Ж + а
г =-,
ЬЖ + с
где W = Rt/R0; Rt — сопротивление при температуре R0 — сопротивление при 0 °С; a, Ь, c — постоянные коэффициенты, которые определяются по ГОСТ Р 8.625-2006.
Представленная модель также используется в беспроводных интеллектуальных датчиках с погрешностью измерения ± 0,02 °С в интервале температур 5—95 °С. Заявленная погрешность достигается за счет уменьшения измеряемого интервала температур и индивидуальной калибровки датчика. Измеренные значения температуры передаются по радиоканалу с несущими частотами сигнала 433 или 868 МГц.
Для средств измерения температуры с высокой точностью (до 5 10—3 °С) предложена и обоснована следующая математическая модель:
а + аЖ + а2Ж2 + Ж3
t = -
ь0+ЬЖ+Ь2Ж 2
где a0, a1, a2, Ь0, Ь1, Ь2 — постоянные коэффициенты используемого чувствительного элемента, определяемые по стандартным значениям в ГОСТ Р 8.625-2006.
Реализуя предложенную модель в средствах измерения температуры с чувствительными элементами на основе платины, требуемая погрешность достигается в интервале температур от —100 до +600 °С [5].
Характеристики любого оборудования для контроля и стабилизации температуры в основном определяются математическими моделями и средствами, которые реализуют данные модели. С ростом точности стабилизации температуры предъявляются повышенные требования к алгоритмам и системам управления, что особенно актуально для прецизионных термоэлектрических систем, где точность стабилизации температуры составляет сотые доли градуса. В связи с этим для оптимизации процесса стабилизации заданной температуры использовали усовершенствованный пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор мощности и оригинальную математическую модель управления термоэлектрической системой [4]. Эту модель в совокупности с программным обеспечением и оригинальными схемотехническими решениями применяли во всех микропроцессорных блоках, разработанных для управления термоэлектрической системой. На рис. 4 представлена диаграмма изменения стабилизируемой температуры термоэлектрической системы при различной температуре окружающей среды 7°кр. Задержка реакции микропроцессорной системы тз на изменение внешних факторов при использовании пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора приводит к разбалансу стабилизируемой температуры. Как видно из графика, изменение температуры окружающей среды приводит к снижению температуры теплообменников, что влияет на точность стабилизации температуры. Использование усовершенствованной математической модели позволяет снизить тз, в результате чего увеличивается точность стабилизации температуры до 0,1 °С [4].
Разработанные физико-технологические основы использованы при создании термоэлектрических систем для прецизионного регулирования и стабилизации температуры: термоэлектрических камер тепла и холода ТЭК-50/60; термостатов НТТ-50/60 и калибраторов КТ-10/60 с рабочими температурами от —75 до +60 °С. На рис. 5 представлены структурные схемы конструкции термоэлектрических калибратора КТ-10/60 и термостата НТТ-50/60.
Рабочая камера термоэлектрического калибратора и термостата изготовлена из меди. В калибраторе в камере размещается измерительная ячейка из меди, содержащая каналы для установки исследуемых датчиков температуры. На корпусе рабочей камеры установлены однокаскадные (в калибраторе) или двухкаскадные (в термостате) термоэлектрические батареи. Отвод тепла с горячего спая термоэлектрической батареи осуществляется с помощью воздушных (в калибраторе) или жидкостных (в термостате) теплообменников. Рабочая камера размещается в корпусе с теплоизоляцией, в которой
имеется источник питания, электронный термометр и микропроцессорная система с тактильной клавиатурой для программирования режимов работы оборудования. В таблице приведены технические характеристики термоэлектрического оборудования.
г
Рис. 4. Динамика изменения стабилизируемой температуры термоэлектрической системы: 1 - снижение температуры теплообменников; 2 - стабилизация
температуры; 3 - увеличенная точность стабилизации температуры до 0,1 °С Fig. 4. Dynamics of changes in the stabilized temperature of the thermoelectric system: 1 - decrease in the temperature of heat exchangers; 2 - temperature stabilization; 3 - increased accuracy of temperature stabilization to 0.1 °C
Рис. 5. Структурные схемы калибратора КТ-10/60 (а) и термостата НТТ-50/60 (б): 1 - рабочая камера; 2 - измерительная ячейка; 3 - термоэлектрические батареи; 4 - теплообменник;
5 - корпус рабочей камеры; 6 - теплоизоляция Fig. 5. Block diagrams of the KT-10/60 calibrator (a) and the NTT-50/60 thermostat (b): 1 - working chamber; 2 - measuring cell; 3 - thermoelectric batteries; 4 - heat exchanger; 5 - the body
of the working chamber; 6 - thermal insulation
Технические характеристики термоэлектрического оборудования Technical characteristics of thermoelectric equipment
Параметр Калибратор КТ-10/60 Термостат НТТ-50/60 Камера тепла и холода ТЭК-50/60
Интервал рабочих температур, °С от -20 до +60 от _50 до +60 от _50 до +60
Дискретность установки температуры, °С ± 1 ± 1 ± 1
Точность стабилизации температуры, °С ± 0,1 ± 0,2 ± 0,2
Максимальный градиент температуры в рабочей зоне, °С/мм 0,001 0,002 0,002
Рабочий объем, см 12 27 60
Потребляемая мощность, Вт 750 750 800
Примечание: интерфейс связи с ПК - USB/RS-232.
Заключение. Разработанные физико-технологические основы создания прецизионных термоэлектрических систем позволяют улучшить их функциональные и эксплуатационные характеристики, а также расширить области применения таких систем. Созданное метрологическое обеспечение дает возможность проводить исследования и контролировать параметры материалов и приборов на всех стадиях разработки и производства. Безразмерная термоэлектрическая добротность ZT полученных нанострукту-рированных материалов на основе ЫТеБе, ЫБЬТе равна 1,16 и 1,24 соответственно. Разработанные металл-диэлектрические коммутационные матрицы для термоэлектрических модулей на основе оксидированных сплавов алюминия выдерживают колебания температуры от -100 до +430 °С. Полученные омические контакты к термоэлектрическим материалам имеют удельное сопротивление, не превышающее
9 2
10_9 Ом •м , и высокую адгезионную прочность (до 19 МПа). Предложенная технология герметизации термоэлектрических модулей повышает их надежность и механическую прочность. Определенные и обоснованные критерии проектирования источников питания для термоэлектрических систем реализованы при создании регулируемых импульсных источников питания различной мощности, обладающих низким уровнем пульсаций (не более 0,3 %) и высоким КПД (до 93 %). Используемые математические модели для различных средств измерения температуры позволяют рассчитывать температуру с точностью до 5 10 °С.
Представленная технология позволила создать высокоточные электронные средства измерения температуры. С помощью разработанных микропроцессорных блоков управления прецизионными термоэлектрическими системами возможно стабилизировать температуру с точностью ± 0,2 °С. Изготовленные прецизионные термостат, калибратор, камера тепла и холода позволяют стабилизировать температуру в рабочих объемах с погрешностью, не превышающей ± 0,1 °С в интервале температур от -50 до +60 °С. При этом в рабочем объеме обеспечивается однородный профиль температуры на уровне 0,001 °С/мм.
Литература
1. Salah W. A., Abuhelwa M. Review of thermoelectric cooling devices recent applications // JESTEC. 2020. Vol. 15. No. 1. P. 455-476.
2. Zaferani S. H., Sams M. W., Ghomashchi R., Chen Z.-G. Thermoelectric coolers as thermal management systems for medical applications: Design, optimization, and advancement // Nano Energy. 2021. Vol. 90 (A). Art. ID: 106572. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106572
3. Siddique A. R. M., Venkateshwar K., Mahmud S., Heyst B. van. Performance analysis of bismuth-antimony-telluride-selenium alloy-based trapezoidal-shaped thermoelectric pallet for a cooling application // Energy Convers. Manag. 2020. Vol. 222. Art. ID: 113245. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113245
4. Разработка математических моделей для интеллектуальных систем управления прецизионным термическим оборудованием / Ю. И. Штерн, Я. С. Кожевников, В. М. Рыков и др. // Изв. вузов. Электроника. 2010. № 2 (82). С. 52-59. EDN: LMCYMD.
5. Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Рыков В. М., Миронов Р. Е. Математические модели и аппаратно-программные средства для высокоточных электронных измерителей температуры // Изв. вузов. Электроника. 2013. № 1 (99). С. 10-17. EDN: PWUTDF.
6. Theoretical and experimental investigations of thermoelectric refrigeration box used for medical service / R.-R. He, H.-Y. Zhong, Y. Cai et al. // Procedia Engineering. 2017. Vol. 205. P. 1215-1222. https://doi.org/ 10.1016/j.proeng.2017.10.356
7. Review of experimental approaches for improving zT of thermoelectric materials / Z. Ma, J. Wei, P. Song et al. // Mater. Sci. Semicond. Process. 2021. Vol. 121. Art. ID: 105303. https://doi.org/10.1016/ j.mssp.2020.105303
8. Compromise and synergy in high-efficiency thermoelectric materials / T. Zhu, Y. Liu, C. Fu et al. // Adv. Mater. 2017. Vol. 29. Iss. 14. Art. ID: 1605884. https://doi.org/10.1002/adma.201605884
9. Современное состояние термоэлектрического материаловедения и поиск новых эффективных материалов / А. А. Шерченков, Ю. И. Штерн, Р. Е. Миронов и др. // Российские нанотехнологии. 2015. Т. 10. № 11-12. С. 22-32. EDN: VBTZWL.
10. Штерн М. Ю. Наноструктурированные термоэлектрические материалы для температур 200-1200 К, полученные искровым плазменным спеканием // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 6. С. 695-706. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-695-706. - EDN: QVLUDB.
11. A review on fundamentals, design and optimization to high zT of thermoelectric materials for application to thermoelectric technology / A. Kumar, S. Bano, B. Govind et al. // J. Electron. Mater. 2021. Vol. 50. P. 6037-6059. https://doi.org/10.1007/s11664-021-09153-7
12. Processing of advanced thermoelectric materials / J. Li, Y. Pan, C. Wu et al. // Sci. China Technol. Sci. 2017. Vol. 60. P. 1347-1364. https://doi.org/10.1007/s11431-017-9058-8
13. A review on recent developments of thermoelectric materials for room-temperature applications / Z. Soleimani, S. Zoras, B. Ceranic et al. // Sustainable Energy Technol. Assess. 2020. Vol. 37. Art. ID: 100604. https://doi.org/10.1016/j.seta.2019.100604
14. Cai B., Hu H., Zhuang H.-L., Li J.-F. Promising materials for thermoelectric applications // J. Alloys Compd. 2019. Vol. 806. P. 471-486. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.07.147
15. ShiX.-L., Zou J., Chen Z.-G. Advanced thermoelectric design: From materials and structures to devices // Chem. Rev. 2020. Vol. 120. Iss. 15. P. 7399-7515. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00026
16. Recent advances in inorganic material thermoelectrics / P. Ren, Y. Liu, J. He et al. // Inorg. Chem. Front. 2018. Vol. 5. Iss. 10. P. 2380-2398. https://doi.org/10.1039/C8QI00366A
17. Thin-film contact systems for thermocouples operating in a wide temperature range / M. Shtern, M. Rogachev, Yu. Shtern et al. // J. Alloys Compd. 2021. Vol. 852. Art. ID: 156889. https://doi.org/10.1016/ j.jallcom.2020.156889
18. Pulsed-light surface annealing for low contact resistance interfaces between metal electrodes and bismuth telluride thermoelectric materials / G. Joshi, D. Mitchell, J. Ruedin et al. // J. Mater. Chem. C. 2019. Vol. 7. Iss. 3. P. 479-483. https://doi.org/10.1039/C8TC03147A
19. Electrical contact uniformity and surface oxidation of ternary chalcogenide alloys / P. A. Sharma, M. Brumbach, D. P. Adams et al. // AIP Advances. 2019. Vol. 9. Iss. 1. Art. No. 015125. https://doi.org/ 10.1063/1.5081818
20. Liu W., Bai S. Thermoelectric interface materials: A perspective to the challenge of thermoelectric power generation module // J. Materiomics. 2019. Vol. 5. Iss. 3. P. 321-336. https://doi.org/10.1016/ j.jmat.2019.04.004
21. Semenyuk V. Effect of electrical contact resistance on the performance of cascade thermoelectric coolers // J. Electron. Mater. 2019. Vol. 48. Iss. 4. P. 1870-1876. https://doi.org/10.1007/s11664-018-6785-5
22. Штерн Ю. И. Технология получения и исследование пористых оксидных пленок на сплавах алюминия // Журнал прикладной химии. 2008. Т. 81. № 4. С. 546-550. EDN: JSBCRR.
23. Thermoelectric properties of efficient thermoelectric materials on the basis of bismuth and antimony chalcogenides for multisection thermoelements / M. Shtern, M. Rogachev, Yu. Shtern et al. // J. Alloys Compd. 2021. Vol. 877. Art. ID: 160328. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160328
24. Han J.-K., Shin D.-W., Madavali B., Hong S.-J. Investigation of spark plasma sintering temperature on microstructure and thermoelectric properties of ^-type Bi-Sb-Te alloys // J. Powder Mater. 2017. Vol. 24 (2). P. 115-121. https://doi.org/10.4150/KPMI.2017.24.2.115
Статья поступила в редакцию 09.02.2024 г.; одобрена после рецензирования 20.02.2024 г.;
принята к публикации 16.08.2024 г.
Информация об авторах
Штерн Юрий Исаакович - доктор технических наук, профессор Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Штерн Максим Юрьевич - доктор технических наук, доцент Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), m.y.shtern@gmail .com
Рогачев Максим Сергеевич - кандидат технических наук, ассистент Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Кожевников Яков Серафимович - кандидат технических наук, ведущий инженер Научно-технологического центра фотошаблонов Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
References
1. Salah W. A., Abuhelwa M. Review of thermoelectric cooling devices recent applications. JESTEC, 2020, vol. 15, no. 1, pp. 455-476.
2. Zaferani S. H., Sams M. W., Ghomashchi R., Chen Z.-G. Thermoelectric coolers as thermal management systems for medical applications: Design, optimization, and advancement. Nano Energy, 2021, vol. 90 (A), art. ID: 106572. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106572
3. Siddique A. R. M., Venkateshwar K., Mahmud S., Heyst B. van. Performance analysis of bismuth-antimony-telluride-selenium alloy-based trapezoidal-shaped thermoelectric pallet for a cooling application. Energy Convers. Manag., 2020, vol. 222, art. ID: 113245. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113245
4. Shtern Yu. I., Kozhevnikov J. S., Rykov V. M., Mironov R. E., Shtern M. Yu. Development of mathematical models for intellectual monitoring systems of precise thermal equipment. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2010, no. 2 (82), pp. 52-59. (In Russian). EDN: LMCYMD.
5. Shtern Yu. I., Kozhevnikov Ya. S., Rykov V. M., Mironov R. E. Mathematical models and hardware & software for highly accurate electronic temperature meters. Russ. Microelectron., 2013, vol. 42, iss. 7, pp. 384-388. https://doi.org/10.1134/S1063739713070093
6. He R.-R., Zhong H.-Y., Cai Y., Liu D., Zhao F.-Y. Theoretical and experimental investigations of thermoelectric refrigeration box used for medical service. Procedia Engineering, 2017, vol. 205, pp. 1215-1222. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.356
7. Ma Z., Wei J., Song P., Zhang M., Yang L., Ma J., Liu W., Yang F., Wang X. Review of experimental approaches for improving zT of thermoelectric materials. Mater. Sci. Semicond. Process., 2021, vol. 121, art. ID: 105303. https://doi.org/10.10167j.mssp.2020.105303
8. Zhu T., Liu Y., Fu C., Heremans J. P., Snyder J. G., Zhao X. Compromise and synergy in high-efficiency thermoelectric materials. Adv. Mater., 2017, vol. 29, iss. 14, art. ID: 1605884. https://doi.org/10.1002/ adma.201605884
9. Sherchenkov A. A., Shtern Yu. I., Mironov R. E., Shtern M. Yu., Rogachev M. S. Current state of thermoelectric material science and the search for new effective materials. Nanotechnol. Russia, 2015, vol. 10, pp. 827-840. https://doi.org/10.1134/S1995078015060117
10. Shtern M. Yu. Nanostructured thermoelectric materials for temperatures of 200-1200 K obtained by spark plasma sintering. Semiconductors, 2022, vol. 56, iss. 13, pp. 437-443. https://doi.org/10.1134/ S1063782622130152
11. Kumar A., Bano S., Govind B., Bhardwaj A., Bhatt K., Misra D. K. A review on fundamentals, design and optimization to high zT of thermoelectric materials for application to thermoelectric technology. J. Electron. Mater., 2021, vol. 50, pp. 6037-6059. https://doi.org/10.1007/s11664-021-09153-7
12. Li J., Pan Y., Wu C., Sun F., Wei T. Processing of advanced thermoelectric materials. Sci. China Technol. Sci., 2017, vol. 60, pp. 1347-1364. https://doi.org/10.1007/s11431-017-9058-8
13. Soleimani Z., Zoras S., Ceranic B., Shahzad S., Cui Y. A review on recent developments of thermoelectric materials for room-temperature applications. Sustainable Energy Technol. Assess., 2020, vol. 37, art. ID: 100604. https://doi.org/10.1016Zj.seta.2019.100604
14. Cai B., Hu H., Zhuang H.-L., Li J.-F. Promising materials for thermoelectric applications. J. Alloys Compd, 2019, vol. 806, pp. 471-486. https://doi.org/10.1016/jjallcom.2019.07.147
15. Shi X.-L., Zou J., Chen Z.-G. Advanced thermoelectric design: From materials and structures to devices. Chem. Rev., 2020, vol. 120, iss. 15, pp. 7399-7515. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00026
16. Ren P., Liu Y., He J., Lv T., Gao J., Xu G. Recent advances in inorganic material thermoelectric. Inorg. Chem. Front., 2018, vol. 5, iss. 10, pp. 2380-2398. https://doi.org/10.1039/C8QI00366A
17. Shtern M., Rogachev M., Shtern Yu., Gromov D., Kozlov A., Karavaev I. Thin-film contact systems for thermocouples operating in a wide temperature range. J. Alloys Compd, 2021, vol. 852, art. ID: 156889. https://doi.org/10.1016/jjallcom.2020.156889
18. Joshi G., Mitchell D., Ruedin J., Hoover K., Guzman R., McAleer M., Wood L., Savoy S. Pulsed-light surface annealing for low contact resistance interfaces between metal electrodes and bismuth telluride thermoelectric materials. J. Mater. Chem. C, 2019, vol. 7, iss. 3, pp. 479-483. https://doi.org/10.1039/C8TC03147A
19. Sharma P. A., Brumbach M., Adams D. P., Ihlefeld J. F., Lima-Sharma A. L., Chou S., Sugar J. D., Lu P. et al. Electrical contact uniformity and surface oxidation of ternary chalcogenide alloys. AIP Advances, 2019, vol. 9, iss. 1, art. no. 015125. https://doi.org/10.1063/L5081818
20. Liu W., Bai S. Thermoelectric interface materials: A perspective to the challenge of thermoelectric power generation module. J. Materiomics, 2019, vol. 5, iss. 3, pp. 321-336. https://doi.org/10.1016/ j.jmat.2019.04.004
21. Semenyuk V. Effect of electrical contact resistance on the performance of cascade thermoelectric coolers. J. Electron. Mater., 2019, vol. 48, iss. 4, pp. 1870-1876. https://doi.org/10.1007/s11664-018-6785-5
22. Shtern Yu. I. Technology of fabrication and study of porous oxide films on aluminum alloys. Russ. J. Appl. Chem., 2008, vol. 81, iss. 4, pp. 585-587. https://doi.org/10.1134/S1070427208040022
23. Shtern M., Rogachev M., Shtern Yu., Sherchenkov A., Babich A., Korchagin E., Nikulin D. Thermoelectric properties of efficient thermoelectric materials on the basis of bismuth and antimony chalcogenides for multisection thermoelements. J. Alloys Compd, 2021, vol. 877, art. ID: 160328. https://doi.org/10.1016/ j.jallcom.2021.160328
24. Han J.-K., Shin D.-W., Madavali B., Hong S.-J. Investigation of spark plasma sintering temperature on microstructure and thermoelectric properties of p-type Bi-Sb-Te alloys. J. Powder Mater., 2017, vol. 24 (2), pp. 115-121. https://doi.org/10.4150/KPMI.2017.24.2.115
The article was submitted 09.02.2024; approved after reviewing 20.02.2024;
accepted for publication 16.08.2024.
Information about the authors
Yuri I. Shtern - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Maxim Yu. Shtern - Dr. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Maxim S. Rogachev - Cand. Sci. (Eng.), Assistant of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Yacov S. Kozhevnikov - Cand. Sci. (Eng.), Leading Engineer of the Scientific and Technological Center of Photomasks, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника» Подписку на печатную версию журнала можно оформить:
• по каталогу «Периодические издания. Газеты и журналы» ООО «Урал-Пресс Округ» (подписной индекс 47570): https://www.ural-press.ru/catalog
• по объединенному каталогу «Пресса России» ООО «Агентство «Книга-Сервис» (подписной индекс 38934): https://www.akc.ru
• через Агентство «ПРЕССИНФОРМ»: http://presskiosk.ru/catalog
• ООО «Руспресса»: http://abcpress.ru/
• ООО «ГЛОБАЛПРЕСС»: [email protected]
• подписное агентство «Криэйтив Сервис Бэнд»: https://periodicals.ru/
• редакцию - с любого номера и до конца года: http://ivuz-e.ru
