CC BY
10ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, MATERIALS, SYSTEMS, AND INSTRUMENTS
Статья поступила в редакцию 06.07.2011. Ред. рег. № 1083 The article has entered in publishing office 06.07.11. Ed. reg. No. 1083
УДК 621.362.2
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ
И.А. Гречка, А.С. Ильин, С.В. Хохленкова, А.Г. Чуйко
ОАО «РИФ» 394062 Воронеж, ул. Дорожная, д. 17/2 Тел. +7 4732202499, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 26.07.11 Заключение совета экспертов: 30.07.11 Принято к публикации: 05.08.11
Рассмотрены вопросы термических сопротивлений в тепловых сопряжениях конструктивных слоев теплопередающих систем термоэлектрических генераторов плоской компоновки. Исследована зависимость термических сопротивлений от конструктивных и технологических решений электроизоляции термобатареи и герметизации полости размещения термобатарей.
Ключевые слова: термическое сопротивление, термоэлектрический генератор, термогенераторная батарея, мощность, эла-сил 137-182, плазменно-нанесенная окись алюминия, паразитный перепад температур.
THERMAL RESISTANCE IMPACT ON THERMOELECTRIC GENERATORS
PARAMETERS
I.A. Grechka, A.C. Ilyin, S.V.Hohlenkova, A.G. Chuiko
Open Joint Stock Company "RIF" 17/2 Dorozhnaya str., Voronezh, 394062, Russia Tel. +7 4732202499, e-mail: [email protected]
Referred: 26.07.11 Expertise: 30.07.11 Accepted: 05.08.11
Thermal resistance in thermal conjunctions of constructional layers of thermoeletric generator heat-transfer systems issue has been reviewed. The dependence of thermal resistance from constructional and technological solutions of thermal battery electric isolation as well as from sealing of thermal batteries placements has been analyzed.
Keywords: thermal resistance, thermoelectric generator, termogenerating battery, power, Elasil 137-182, aluminium oxide plazma spraying, spurious temperature difference.
Игорь Анатольевич Гречка
Сведения об авторе: инженер ОАО «РИФ», магистр техники и технологии. Круг научных интересов: термоэлектрические генераторы и охладители. Публикации: 1.
Александр Сергеевич Ильин
Сведения об авторе: ведущий инженер ОАО «РИФ», канд. физ.-мат. наук. Круг научных интересов: термоэлектрические генераторы и охладители. Публикации: 14.
Светлана Викторовна Хохленкова
Сведения об авторе: конструктор ОАО «РИФ».
Круг научных интересов: термоэлектрические генераторы.
Артем Георгиевич Чуйко
Сведения об авторе: начальник отдела ОАО «РИФ».
Круг научных интересов: термоэлектрические генераторы и охладители.
Публикации: 20.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (101) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Энергосберегающие технологии, системы, материалы и приборы
Для современной техники характерно использование тепловых потоков высокой плотности. В этих условиях приобретают существенное значение вопросы контактного теплообмена. При тепловых расчетах конструкций возникает необходимость учета термического сопротивления теплоконтактных поверхностей, обусловленного дискретным характером соприкосновения. Наличие этого сопротивления приводит к температурному скачку между соприкасающимися поверхностями и, соответственно, к увеличению паразитного температурного перепада в составных деталях. При тепловых потоках высокой плотности дополнительное повышение температуры может составлять десятки градусов.
Особое место вопрос о термическом сопротивлении контакта занимает в проблеме создания полупроводниковых термоэлектрических генераторов. Для получения перепада температур на спаях термогенераторной батареи необходимо подвести и отвести тепло с помощью теплопроводов с горячим и холодным теплоносителем, которые контактируют с коммутационной поверхностью батареи через электрическую изоляцию. Основное количество тепла, обусловливающее выходную электрическую мощность термоэлектрогенератора, проходит непосредственно через эту изоляцию. Таким образом, последняя должна обладать высокими диэлектрическими свойствами и быть хорошим проводником тепла. Эти требования для большинства материалов являются противоречивыми.
Кроме теплового сопротивления электроизоляционного материала, в электроизоляционную прослойку входит и тепловое сопротивление контакта. Таким образом, задача уменьшения теплового сопротивления изоляции сводится не только к поискам диэлектрика с относительно высоким коэффициентом теплопроводности, но и к снижению теплового сопротивления контакта.
Минимальное значение термического сопротивления имеют переходы с эластичными прокладками и покрытиями. Однако, как показала практика, такие переходы обладают низкими электроизоляционными свойствами из-за отсутствия механической прочности.
Для удовлетворения противоречивых требований к электроизоляционным теплоконтактным переходам (минимальное тепловое и максимальное электрическое сопротивление, высокая механическая прочность и эластичность для снятия теплового контактного сопротивления, влагостойкость и низкие тепловые деформации) лучше всего использовать комбинированные переходы, состоящие из двух компонентов.
Один и тот же материал не в состоянии обеспечить надежные диэлектрические свойства и высокую тепловую проводимость одновременно. Один компонент перехода должен обеспечить электроизоляционные свойства, а другой - уменьшить термическое сопротивление контакта.
Были проведены эксперименты по уменьшению контактного термического сопротивления «холодной» стороны термогенераторной батареи.
В связи с тем, что оборудование для определения термического сопротивления контактов является специфическим, оценка совершенства термических контактов термогенераторных батарей (ТБ) проводилась на установке измерения параметров ТБ (рис. 1). Батарея зажималась между резистивным нагревателем 1 и теплоприемником 5, охлаждаемым проточной водой. В теплорастекателях нагревателя 2 и охладителя 4 были установлены термопары.
Рис. 1. Схема установки измерения параметров термогенераторных батарей: 1 - нагреватель;
2 - теплорастекатель нагревателя; 3 - термогенераторная
батарея; 4 - теплорастекатель охладителя; 5 - теплоприемник Fig. 1. The setting of thermogenerating parameters measurement: 1 - heater; 2 - heat spreader of the heater;
3 - termogenerating battery; 4 - heat spreader of the cooler;
5 - heat receiver
Термогенераторные батареи испытывались при плотностях теплового потока 7,9-9,4 Вт/см2 и температурах теплорастекателей нагревателя и охладителя, составляющих 300 и 100 °С соответственно. Вольт-амперные характеристики ТБ с приклеенной керамикой и двумя слоями полимера Эласил 137182 (стандартная), с плазменно-нанесенной окисью алюминия и слоем полимера Эласил 137-182, с плазменно-нанесенной окисью алюминия приведены на рис. 2.
Разница значений напряжения холостого хода батарей свидетельствует о том, что при замене стандартной изоляции на изоляцию, состоящую из плаз-менно-напыленного алунда и одного слоя полимера Эласил 137-182, паразитный перепад уменьшился на 25 °С, при этом мощность термоэлектрической батареи увеличилась на 19%. При изоляции, состоящей только из слоя плазменно-напыленной окиси алюминия, уменьшение напряжения холостого хода по сравнению с напряжением холостого хода батареи со стандартной изоляцией свидетельствует об увеличении паразитного перепада на 40 °С, при этом мощность термоэлектрической батареи уменьшилась на 36%.
Наиболее технологичной следует признать замену приклейки пластин из оксида алюминия на нанесение окиси алюминия (алунда) методом плазменного напыления.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (101) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
И.А. Гоечка, А.С. Ильин и др. Влияние термического сопротивления на параметры термоэлектрических генераторов
......:...... \
- с:-. /
/ \
: //у ; \ \v.....
/// "-А
^^^\ ^ * ¡ А 1
О 2 4 6 а 10
ТОК, А
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика термогенераторных батарей различной конструкции: с плазменно-напыленной окисью алюминия и слоем полимера Эласил 137-182 (■ - напряжение, □ - мощность); с приклеенной пластиной из окиси алюминия и двумя слоями полимера Эласил 137-182 (•- напряжение, о - мощность);
с плазменно-напыленной окисью алюминия (▲ - напряжение, А - мощность) Fig. 2. Current-voltage characteristics termogenerating batteries of different constructions termogenerating battery with aluminium oxide plazma spraying and polymer Elasah 137-182 (■ - voltage, □ - power) layer; termogenerating battery with stuck aluminum oxide plate and two polymer Elasil 137-182 layers (• - voltage, о - power); termogenerating battery with aluminium oxide plazma spraying (▲ - voltage, Л - power)
Алунд обладает хорошими адгезионными и механическими свойствами. Это покрытие обладает высокой термостойкостью и механической прочностью. Однако пористая структура алунда имеет крупную шероховатость и при контактировании с металлической поверхностью в среде воздуха создает большое тепловое сопротивление (около 8-10-4 м2-К/Вт [1]). Наилучшей парой к алунду, как показали эксперименты, при температурах до 200 °С является Эласил 137-182, который не теряет своих пластических свойств до температуры 250 °С. Пористая структура алунда обеспечивает надежное сцепление с полиме-
ром и в его присутствии обеспечивает высокие электроизоляционные качества. Разборка рабочего участка показала хорошую адгезию полимера как с алун-дом, так и с алюминием. Полимер заполняет весь зазор равномерным тонким слоем, оставшимся после выдавливания излишков при сборке.
Список литературы
1. Шуйков Ю.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (101) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
