CC BY
17Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения
УДК 537.32
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОНАГРУЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Е. Н. Васильев
Красноярский научный центр СО РАН Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 E-mail: ven@icm.krasn.ru
Определено влияние термических сопротивлений системы термоэлектрического охлаждения на температурный режим теплонагруженного элемента.
Ключевые слова: термоэлектрический модуль, тепловой режим, теплонагруженный элемент, система охлаждения, термическое сопротивление.
THERMAL RESISTANCES INFLUENCE ON CHARACTERISTICS OF THERMOELECTRIC COOLING OF HEAT-LOADED ELEMENTS OF RADIO ELECTRONIC EQUIPMENT
E. N. Vasil'ev
Federal research center "Krasnoyarsk Science Centre SB RAS" Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: ven@icm.krasn.ru
The research determines the influence of thermal resistance of system of thermoelectric cooling on temperature condition of the heat-loaded element.
Keywords: thermoelectric module, heat regime, heat-loaded element, cooling system, thermal resistance.
Перспективным направлением для охлаждения и терморегулирования теплонагруженных элементов (ТНЭ) радиоэлектронной аппаратуры является применение термоэлектрических модулей (ТЭМ). Термоэлектрические системы охлаждения и терморегулирования (ТЭСОТ) обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения, а именно: возможностью плавного регулирования температуры в достаточно широком диапазоне путем изменения величины и направления тока питания ТЭМ, малой тепловой инерционностью, высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, компактностью и небольшим весом, бесшумностью работы. ТЭСОТ активно используются для охлаждения как миниатюрных объектов, так и холодильных камер большого объема [1; 2].
Распространенным типом ТЭСОТ, применяемой для охлаждения ТНЭ 1, является конструкция, составными элементами которой являются теплорас-пределяющая пластина (ТРП) 2, ТЭМ 3 и кулер 4, в местах соединения элементов имеются тепловые контакты 5 (рисунок). ТРП необходима для выравнивания распределения тепловой мощности, поступающей от ТНЭ на поверхность ТЭМ. При этом ТЭМ выполняет функцию теплового насоса, передающего теплоту с холодной стороны на горячую. Кулер отводит во внешнюю среду суммарную тепловую мощность, выделяемую как ТНЭ, так и ТЭМ. Эффективность ТЭСОТ зависит от рабочих характеристик и параметров всех элементов конструкции и их взаимного влияния [3-6]. В настоящей работе исследуется
влияние термических сопротивлений ТРП и кулера на характеристики термоэлектрического охлаждения.
[
Схема ТЭСОТ
Охлаждение ТНЭ обеспечивается за счет температурного перепада AT, производимого ТЭМ. Потери температурного перепада на термических сопротивлениях ТРП и кулере снижают эффективность охлаждения и при определенных условиях могут приводить не к охлаждению ТНЭ, а, наоборот, к его нагреву. При проведении анализа эффективности охлаждения в качестве исходных данных используются рабочие характеристики серийных ТЭМ, представляемые производителем.
Для расчета потерь температурного перепада в ТРП использована математическая модель, которая основана на численном решении трехмерного уравнения теплопроводности с учетом нагрузочной характеристики ТЭМ. На верхней и нижней границах ТРП
Решетневскуе чтения. 2017
учитывается неоднородность тепловых потоков, обусловленная влиянием ТНЭ и ТЭМ. Из расчетов получены зависимости термического сопротивления ТРП от его толщины и размера ТНЭ. Установлено, что неоднородность температурного поля холодной стороны ТЭМ приводит к увеличению термического сопротивления ТРП. Проведен сравнительный анализ влияния теплопроводности материала и геометрических параметров на величину термического сопротивления, определена оптимальная толщина ТРП, которая в зависимости от размера ТНЭ составляет 3-5 мм. Оптимизация параметров ТРП позволяет минимизировать температурный перепад и в итоге снизить температуру ТНЭ.
В ТЭСОТ при теплообмене ТЭМ с внешней средой от его горячей стороны необходимо отводить суммарную тепловую мощность, выделяемую ТНЭ и ТЭМ, которая, как правило, значительно выше мощности ТНЭ из-за относительно низкого коэффициента полезного действия ТЭМ. Это обуславливает соответствующий рост температурных перепадов на тепловых контактах и кулере, что, в итоге, приводит к снижению эффективности охлаждения. Для расчета характеристик ТЭСОТ использована аналитическая математическая модель, позволяющая определять температурный режим и оптимальные значения силы тока I электропитания ТЭМ с учетом термического сопротивления кулера Я и тепловых контактов, мощности тепловыделения ТНЭ Q. Получены зависимости характеристик охлаждения от I при различных значениях Я и Q. Установлена зависимость оптимальных значений силы тока от Я и Q, при которых достигается как максимальная эффективность охлаждения ТНЭ, так и снижение энергопотребления ТЭМ. Определены границы, разделяющие плоскость параметров I - Я на две области, в одной из которых реализуется термоэлектрическое охлаждение, в другой применение ТЭМ, наоборот, приводит к повышению температуры ТНЭ.
Таким образом, рассмотренные расчетные методики позволяют проводить расчет и оптимизацию режимов ТЭСОТ с целью повышения эффективности охлаждения ТНЭ и снижения энергопотребления ТЭМ. Сначала на основе расчета характеристик ТЭСОТ определяется температура холодной стороны ТЭМ с учетом тепловой мощности ТНЭ, рабочих характеристик ТЭМ, термического сопротивления кулера и тепловых контактов, температуры окружающей среды. Затем рассчитывается температурный перепад в ТРП и по распределению температуры на верхней границе ТРП с учетом термического сопротивления теплового контакта определяется температура основания ТНЭ на его посадочном месте. При известном внутреннем термическом сопротивлении ТНЭ (информация производителя) дополнительно может быть рассчитано значение температуры самого кристалла.
Библиографические ссылки
1. Термоэлектричество в инженерных задачах современной техники охлаждения / В. М. Гладущенко, В. А. Деревянко, Е. Н. Васильев и др. // Электронные
и электромеханические системы и устройства. Томск : АО «НПЦ «Полюс». 2016. С. 177-183.
2. Пат. 2511922 Российская Федерация, МПК7 F 25 B 21/02. Термоэлектрический блок охлаждения / Деревянко В. А., Гладущенко В. М., Васильев Е. Н. и др. 2012142405/06 ; заявл. 04.10.2012 ; опубл. 10.04.2014, Бюл. № 10.
3. Васильев Е. Н., Деревянко В. А. Расчет эффективности термоэлектрических модулей для охлаждения радиоэлектронных элементов // Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф. (12-14 ноября 2013, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосм. ун-т. Красноярск, 2013. Т. 1. С. 211-213.
4. Васильев Е. Н., Деревянко В. А. Анализ эффективности применения термоэлектрических модулей в системах охлаждения радиоэлементов // Вестник СибГАУ. 2013. № 4 (50). С. 9-13.
5. Васильев Е. Н. Расчет и оптимизация режимов термоэлектрического охлаждения теплонагруженных элементов // Журнал технической физики. 2017. Т. 87. № 1. С. 80-86.
6. Васильев Е. Н. Оптимизация режимов термоэлектрического охлаждения теплонагруженных элементов с учетом термического сопротивления тепло-отводящей системы // Журнал технической физики. 2017. Т. 87. № 9. С. 1290-1296.
References
1. Gladushchenko V. N., Derevyanko V. A., Vasil'-
ev E. N., et al. Termoelektrichestvo v inzhenernykh zada-chakh sovremennoi tekhniki okhlazhdeniya [Thermoelectricity in engineering problems of the modern technology of cooling]. Elektronnye i elektromekhanicheskie sistemy i ustroistva [Electronic and electromechanical systems and devices]. Tomsk, AO NPC Polus Publ., 2016, p. 177-183. (In Russ.)
2. Derevyanko V. A., Gladushchenko V. N., Vasil'-ev E. N., et al. Termoelektricheskij blok okhlazhdeniya [Thermoelectric cooling module]. Patent RF, no. 2511922, 2014.
3. Vasil'ev E. N., Derevyanko V. A. [Thermophysical analysis of the thermal storage to the temperature control system of powerful blocks of electronic equipment with a short action time]. MaterialyXXMezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XVII Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2013, p. 211-213. (In Russ.)
4. Vasil'ev E. N., Derevyanko V. A. [Analysis of thermoelectric modules efficiency in cooling systems]. VestnikSibGAU. 2013, no. 4(50), p. 9-13. (In Russ.)
5. Vasil'ev E. N. Calculation and Optimization of Thermoelectric Cooling Modes of Thermally Loaded Elements // Technical Physics, 2017, Vol. 62, No. 1, p. 90-96.
6. Vasil'ev E. N. Optimization of Thermoelectric Cooling Regimes for Heat-Loaded Elements Taking into Account the Thermal Resistance of the Heat-Spreading System // Technical Physics, 2017, Vol. 62, No. 9. p. 1300-1306.
© Васильев Е. Н., 2017
