Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Исследование и разработка специальных средств теплозащиты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), создание принципиально новых типов систем охлаждения, отвечающих специфическим требованиям, изучение их энергетических и технико-экономических показателен является важной народнохозяйственной задачей.
Элементы радиотехники и электрорадиоматериалы обладают ограниченной теплостойкостью, т.е. могут нормально работать лишь в заданном диапазоне температур. Причина состоит в различных физических и химических процессах, которые при повышении (или понижении) температуры либо развиваются лавинообразно, либо приводят к усиленному старению материалов.
Анализ статистических данных об отказах показывает, что нестабильность параметров элементов из-за воздействия температуры составляет 60-70 %.
Все расширяющая область применения полупроводниковых термоэлектрических устройств (ТЭУ) (микроэлектроника, радиоэлектроника, лазерная техника, оптика и т.д.) выдвигает новые требования к оборудованию и средствам для обеспечения интенсивного отвода теплоты от источников с высокими удельными тепловыми нагрузками. Эти требования столь разнообразны, противоречивы и необычны, что их выполнение является сложной и не всегда разрешимой задачей.
Существующие в настоящее время устройства и системы для отвода теплоты и термостатирования не всегда отвечает указанным требованиям и не для всех объектов могут быть использованы, а их применение часто связано с отсутствием более совершенных систем и аппаратов. Поэтому, исследование и разработка специальных полупроводниковых термоэлектрических интенсификаторов теплопередачи (ТЭИТ) и систем термостатирования, обеспечивающих интенсивный отвод теп-
лоты от источников с высоким удельными тепловыми нагрузками, оптимизация их конструктивных, электро- и теплофизических и режимных параметров является важной научно-технической задачей.
Применение полупроводниковых ТЭУ для охлаждения и термоста-билизацин в РЭА обусловлено рядом достоинств: возможность создания миниатюрных охлаждающих устройств, где применение иных способов охлаждения встречает существенные трудности; неограниченные ресурсы работы; отсутствие в охлаждающих системах рабочих жидкостей и газов, следовательно, отсутствие опасности загрязнения окружающего пространства; независимость параметров холодильника от ориентации в пространстве или влияние поля тяжести; возможность работы при больших механических перегрузках; возможность регулирования и статирования температуры путем регулирования тока питания; быстродействие и возможность получения заданной временной зависимости. Термоэлектрическим охлаждением достигается интенсификация теплоотвода, что позволяет увеличить мощность электронной аппаратуры и повысить плотность монтажа.
Все вышеизложенное обуславливает актуальность проведения настоящего исследования.
Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы является разработка и создание на основе полупроводниковых термоэлектрических преобразователей принципиально новых ннтенсификаторов теплопередачи контактного типа с различными тепловыми схемами и лроведенне комплекса теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание математических моделей и методик расчета.
Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:
I. Разработка математических моделей полупроводниковых ТЭИТ контактного типа с учетом многомерности температурных полей в элементах конструкции.
-
На основе проведенных исследований разработка новых конструктивных вариантов полупроводниковых ТЭИТ с различными тепловыми схемами.
-
Разработка инженерных методик расчета основных параметров полупроводниковых ТЭИТ контактного типа.
-
Проведение комплекса экспериментальных исследований с целью подтверждения теоретических данных.
-
Практическая реализация результатов работы.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, информатики, теории множеств, метод верхней релаксации для ускорения сходимости итерационного процесса, метод Гаусса-Зейделя.
Научная новизна работы. В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:
-
Теоретические принципы решения проблемы по интенсификации теплопередачи от объектов с высокими удельными тепловыми нагрузками на основе применения полупроводниковых термоэлектрических преобразователен.
-
Математические модели полупроводниковых ТЭИТ:
а) контактного типа с объектом теплового воздействия в виде
замкнутого объема или элемента;
б) контактного типа с промежуточным теплоотводом с учетом не
одномерности температурных полей.
3. Метод определения рациональной области применения ТЭИТ.
Практическая ценность и внедрение результатов работы. Разрабо-
гана методика для всестороннего анализа работы полупроводниковых ГЭИТ н определения влияния характеристик объекта и других факто-эов на энергетические и технико-экономические показатели.
В работе решена задача, позволяющая получать трехмерное емпературное поле при локальном переносе теплоты. Предложены >ригннальные тепловые схемы с промежуточным теплоотводом, позво-
ляюшие значительно повысить, в зависимости от условий работы энергетическую эффективность устройства.
Создана методика сравнительного анализа систем естественного » термоэлектрического охлаждения элементов и узлов радиоэлектрон ной аппаратуры.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследование позволили разработать практические рекомендации по использовании полупроводниковых ТЭИТ при различных условиях эксплуатации < учетом тепловых нагрузок, массогабаритньи характеристик и другил показателей для объектов.
Полученные результаты исследований нашли практическое при менение в различных организациях и предприятиях. Многие разработки при непосредственном участии автора испытаны, внедрены у переданы организациям Министерства авиационной промышлености средств автоматики и систем управления, электронной промышленности, а именно:
полупроводниковая термоэлектрическая система для интенсификации теплопередачи и термостабилизации элементов РЭА в изделиях ДагНИИРА ПО "Азимут", позволяющая улучшить тактико-технические показатели и работоспособность объекта в условиях эксплуатации;
полупроводниковые термоэлектрические переносные интенсифи-каторы для жидких диффузантов на ПО "Эльтав", применяемые при изготовлении микросхем и способствующие повышению качества выпускаемой продукции;
полупроводниковые ТЭИТ для отвода тепла от мощных микросхем, транзисторов и электронных узлов с дискретными источниками выделений тепловой энергии;
полупроводниковое ТЭУ для испытания элементов и узлов РЭА при низких температурах на ПО "Эльтав".
Проводимые исследования включены в Российскую Государственную научно-техническую программу "Технологии, машины и производства будущего" по 3-му разделу "Исследование, разработка, освое-. ние и выпуск мелкосерийной и малотоннажной наукоемкой продукции для отраслей народного хозяйства России".
Реализация результатов работы на объектах улучшает тактико-технические данные, эффективность, точность к качество устройств и систем. Внедрение разработанных устройств и систем на предприятиях позволяет достичь существенного экономического эффекта.
Апробация работы. Отдельные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Современные проблемы нетрадиционной" энергетики" (Санкт-Петербург, 1994), Первом Международном симпозиуме "Интеллектуальные системы 94" (Махачкала, 1994), Всероссийском совещании "Холодильная техника России. Состояние и перспективы" (Санкт-Петербург, 1995), Всероссийской научно-технической конференции . "Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения" (Махачкала, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Информационно-управляющие системы и специализированные вычислительные устройства для обработки и передачи данных" (Махачкала, 1996), III Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96" (Новосибирск, 1996).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 230 страницах машинописного текста, иллюстрирована 52 рисунками на 57 страницах и 16 таблицами на 13 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 179 наименований, приложений на 15 страницах и документов о внедрении работы на 9 страницах.