УПРАВЛІННЯ ТЕПЛОВИМ РЕЖИМОМ КОМПЛЕКСУ ПАРАЛЕЛЬНО З’ЄДНАНИХ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИХ ОХОЛОДЖУВАЧІВ У НЕРІВНОМІРНОМУ ТЕМПЕРАТУРНОМУ ПОЛІ

В. П. Зайков; В. І. Мещеряков; Ю. І. Журавльов; А. С. Устенко

doi:10.26661/2786-6254-2023-1-06

В. П. Зайков https://orcid.org/0000-0002-4078-3519
В. І. Мещеряков https://orcid.org/0000-0003-0499-827X
Ю. І. Журавльов https://orcid.org/0000-0001-7342-1031
А. С. Устенко https://orcid.org/0000-0002-0546-7019

DOI: https://doi.org/10.26661/2786-6254-2023-1-06

Ключові слова: моделі зв’язку, робочий струм, показники надійності, динамічні характеристики

Анотація

Розглянуто спосіб підвищення ефективності термоелектричної системи забезпечення теплових режимів розподілених теплонавантажених елементів бортової інформаційної системи. Показано, що термоелектричні охолоджувачі найбільш схильні до впливу теплового впливу. Відповідно до моделі надійності вони з’єднані послідовно з теплонавантаженими елементами і значною мірою визначають їхню працездатність. Включення термоелектричних охолоджувачів у ланцюг зворотного зв’язку системи керування тепловими режимами висуває підвищені вимоги до динамічних характеристик охолоджувачів. Однак динаміка і показники надійності перебувають у протиріччі, що вимагає компромісних підходів до розроблення охолоджувачів та керування ними. Дослідження проведено для нерівномірного температурного поля, типового діапазону потужності розсіювання, фіксованої геометрії гілок термоелементів. Отримано аналітичні співвідношення для визначення відносного робочого струму залежно від відносного перепаду температур за заданої напруги живлення, геометрії гілок термоелементів і величини теплового навантаження. Визначено область дійсних значень відносного робочого струму в зоні відносних перепадів температур. Проведено аналіз зв’язку відносного робочого струму з холодильним коефіцієнтом, кількістю енергії, що витрачається, тепловідвідною здатністю радіатора, часом виходу на стаціонарний режим і ймовірністю безвідмовної роботи. Досліджено залежність відносної інтенсивності відмов, кількості енергії, що витрачається, тепловідвідної здатності радіатора і кількості термоелементів від напруги живлення. Це дало змогу визначити керівні ознаки та виявити ефективність керівних впливів у разі паралельного з’єднання охолоджувачів у нерівномірному температурному полі. Показано можливість вибору оптимальної живильної напруги з урахуванням обмежувальних чинників за масогабаритними, енергетичними, динамічними та характеристиками надійності комплексу термоелектричних охолоджувачів з паралельним електричним з’єднанням. Це дозволяє створювати термоелектричні системи забезпечення теплових режимів підвищеної надійності з мінімізацією масових і габаритних характеристик.

Посилання

1. Gordon N. Ellison. Thermal Computations for Electronics. CRC Press. Boca Raton. 2020. 404 p. ISBN 9781003029328. DOI: https://doi.org/10.1201/9781003029328.
2. Sulaiman A.C., Amin N.A.M., Basha M.H., Majid M.S.A., Nasir N.F. b. M., and Zaman I. Cooling Performance of Thermoelectric Cooling (TEC) and Applications: A Review. MATEC Web Conf. 225, 03021. 2018. DOI: 10.1051/matecconf/201822503021.
3. Venkatesan K., Venkataramanan M. Experimental and Simulation Studies on Thermoelectric Cooler: A Performance Study Approach. International Journal of Thermophysics, 41. Epub ahead of print 2020. DOI: 10.1007/s10765-020-2613-2.
4. Li Qiang Wang, Li Zhou, Hai Tao Fan. Design of Cooling System for Infrared CCD Camera Used to Monitor Burden Surface of Blast Furnace Based on Thermoelectric Coolers. Applied Mechanics and Materials. Vol. 419. 2013. 778–783. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.419.778.
5. Jia Yu, Qingshan Zhu, Li Kong, Haoqing Wang and Hongji Zhu. Modeling of an Integrated Thermoelectric Generation–Cooling System for Thermoelectric Cooler Waste Heat Recovery. College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China. Energies. 13(18), 2020, 691. URL: https://doi.org/10.3390/en13184691.
6. Manikandan S., Kaushik S.C., Ronggui Yang. Modified pulse operation of thermoelectric coolers for building cooling applications. Energy Conversion and Management 140:145–156. DOI: 10.1016/j.enconman.2017.03.003.
7. Xin Dong & Xiaomin Liu. Multi-objective optimal design of microchannel cooling heat sink using topology optimization method. Pages 90–104. Received 25 Jun 2019, Accepted 15 Oct 2019, Published online: 05 Nov 2019. URL: https://doi.org/10.1080/10407782.2019.1682872.
8. Ebale L.O., Pierre Gomat L.J., Nzonzolo L., Mavoungou M.R., and Kibongani F. Optimization of a Thermoelectric Cooling System with Peltier Effect. Am. J. Energ. Eng. 7 (3), 2019. 55–63. DOI: 10.11648/j.sjee.20190703.12.
9. Ugur Erturun, Karla Mossi. A Feasibility. Investigation on Improving Structural Integrity of Thermoelectric Modules with Varying Geometry. 2012. DOI: 10.1115/SMASIS2012 –8247.
10. Cai Y., Wang Y., Liu D., and Zhao F.-Y. Thermoelectric Cooling Technology Applied in the Field of Electronic Devices: Updated Review on the Parametric Investigations and Model Developments. Appl. Therm. Eng. 148, 238–255. DOI: 10.1016/j.applthermaleng. 2018. 11.014.
11. Kashif Irshad & Abdulmohsen Almalawi & Asif Irshad Khan & Md Mottahir Alam & Md. Hasan Zahir & Amjad Ali. “An IoT-Based Thermoelectric Air Management Framework for Smart Building Applications: A Case Study for Tropical Climate”, Sustainability, MDPI, Open Access Journal, Vol. 12(4), 2020. pages 1–18, February. Handle: RePEc:gam:jsusta:v:12:y:2020:i:4:p:1564-:d:322657.
12. Ngo T.-T., Wang C.-C., Chen Y.-T., and Than V.-T. Developing a Thermoelectric Cooling Module for Control Temperature and thermal Displacement of Small Built-In Spindle. Therm. Sci. Eng. Prog. 25, 100958. 2021. DOI: 10.1016/j.tsep.2021.100958.
13. Hyoung-Seuk Choi, Won-Seon Seo, Duck-Kyun Choi. Prediction of Reliability on Thermoelectric Module through Accelerated Life Test and Physics of Failure. 2011. URL: https://www.researchgate.net/journal/1738 –8090_Electronic_Materials_Letters. DOI: 10.1007/s13391–011–0917–x.
14. Haopeng Song, Kun Song, Cunfa Gao. “Temperature and thermal stress around an elliptic functional defect in a thermoelectric material”. Mechanics of Materials. Vol. 130. 2019. Pp. 58–64. DOI: 10.1016/j.mechmat.2019.01.008.
15. Changki Mo. Structural Reliability Evaluation of Thermoelectric Generator Modules: Influence of End Conditions, Leg Geometry, Metallization, and Processing Temperatures, Journal of Electronic Materials. Volume 47, Issue 10, 2018. Pp. 6101–6120. DOI: 10.1007/s11664-018-6505-1.
16. Hee Seok Kim, Tianbao Wang, Weishu Liu, Zhifeng Ren. “Engineering Thermal Conductivity for Balancing Between Reliability and Performance of Bulk Thermoelectric Generators”. Advanced Functional Materials. Vol. 26. 2016. Pp. 3678–3686. URL: https://doi.org/10.1002/adfm.201600128.
17. Zaykov V., Mescheryakov V., Zhuravlov Yu. Studying the influence of the thermoelectric materials parameters on the dynamics of singlecascade cooling devices. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2020. № 8 (103), p. 6–18. URL: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.195730.
18. Zaykov V., Mescheryakov V., Zhuravlov Yu. Designing a singlecascade thermoelectric cooler with the predefined time to enter a stationary mode of operation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2019. № 8 (102), p. 38–46. URL: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.184400.
19. Zaykov V.P., Kinshova L.A., Moiseev V.F. Prediction of reliability indicators, thermoelectric cooling devices. Book 1. One-stage devices. Odessa: Polytehperiodika. 2009. 120.
20. Zaykov V., Mescheryakov V., Zhuravlov Yu. Prediction of reliability indicators, thermoelectric cooling devices. Book 4. Dynamics of functioning of single-stage TED. Polytehperiodika. 2019. 290.