Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы значительно увеличился спрос на термоэлектрические приборы. Таким признанным монополистам, обладающим современной технологией термоэлектрических модулей (ТЭМ), как фирмы Melcor и Marlow (США), существенную конкуренцию составили производители России, что положительно влияет на качество и стоимость ТЭМ.
Возросший интерес к термоэлектрическому способу охлаждения определяется несколькими причинами. Во-первых, термоэлектрические (т/э) устройства обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения и термостатирования, например: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, малыми габаритами и весом, возможностью локального охлаждения, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования и статирования температуры. Во-вторых, интенсификация исследований в области термоэлектричества и достигнутые успехи в термоэлектрическом материаловедении, значительно расширили область применения термоэлектрических охлаждающих устройств (ТОУ). В том числе, можно с уверенностью утверждать, что ТОУ не имеют равных в использовании для стабилизации температуры и охлаждения электронных приборов в интервале температур (150 * 400)К. В-третьих, высокая экологичносгь и безопасность, несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТОУ по сравнению с компрессионными и другими системами охлаждения.
Широкое применение во всех сферах деятельности человека холодильной техники с фреоносодержащими смесями явилось одной из причин серьезного нарушения экологического баланса земной атмосферы, связанного с нарушением озонового слоя. В связи с этим, под эгидой ООН, принят ряд решений по запрещению дальнейшего производстиа фреона и
применения фреоносодержащий смесей. В 1985 году 38 государствами была принята Венская конвенция об охране озонового слоя (ЮНЕП № 13/18 от 23 мая), определившая предельные сроки производства и применения фреоносодержащих смесей. Это подтверждено также и актом Монреальской конвенции ООН от 16 сентября 1987 года.
Единственная альтернатива компрессионной холодильной технике, и это признано всем мировым сообществом - термоэлектрические охлаждающие системы, работающие на эффекте Пельтье.
В настоящее время не реализована и малая часть тех возможностей, которые дает термоэлектрический способ охлаждения. Анализ современного состояния производства ТОУ позволяет сделать вывод об интенсификации использования этих устройств. Термоэлектрические приборы находят широкое применение, как в быту, так и во многих областях науки и техники, в том числе и военно-промышленном комплексе. Однако, как показали исследования, возможности ТОУ в плане увеличения эффективности далеко не исчерпаны. Наиболее отстающим звеном в термоэлектрическом приборостроении является конструирование и технология термоэлектрических устройств, которые не претерпели, каких либо, значительных изменений за десятки лет.
Современные требования к эффективности термоэлектрических приборов предопределили необходимость решения ряда задач оптимизации ТОУ, связанных с конструкцией и технологией этих устройств. Важными факторами в проектировании ТОУ, также во многом определяющими их эффективность, являются методики расчета конструкции и исследования параметров термоэлектрических устройств.
Цель диссертационной работы заключалась в разработке и исследовании конструкции и технологии высокоэффективных термоэлектрических охлаждающих устройств. ..'..''
Научная новизна работы. Проведена оптимизация известных методик расчета ТОУ, заключающаяся в том, что исходные величины предварительно корректируются с учетом статистических данных режимов работы термоэлектрических устройств.
Разработана новая методика проектирования ТОУ, позволяющая проводить расчет и моделировать режимы работы термоэлектрических устройств с учетом реальной температуры спаев ТЭМ.
Впервые введено понятие теплопровода в конструировании ТОУ. Разработаны методики расчета теплопровода по параметрам: "максимальная разность температури и "потребляемая мощность" термоэлектрического устройства.
Проведены исследования омических контактов к термоэлектрическим материалам, полученных различными методами. Установлены факторы, контролирующие адгезионную прочность и удельное сопротивление формируемых контактов. Обоснована оптимальная технология омконтактов к термоэлементам.
Проведен анализ систем охлаждения и температурного мониторинга в современных компьютерах. Впервые предложен комплексный подход к проблеме термостабилизацин электронных компонентов компьютера с помощью термоэлектрических устройств.
Практическая ценность, Разработана методика и изготовлен экспериментальный стенд для исследования геплофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии.
Разработаны стенд и методика поверки и калибровки средств измерения температуры.
Разработаны методика и программа для расчета нового элемента конструкции ТОУ - теплопровода.
Разработанные в диссертационной работе методики и конструктивные решения использовались при создании следующих высокоэффективных термоэлектрических устройств:
т/э климатических камер для исследований различных объектов при температурах от - 60С до +60С;
т/э термостатов для исследования теплофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии;
т/э установки обеспечения теплового режима комплекса ПР600;
т/э холодильников;
т/э термостатов для поверки и калибровки средств измерения температуры в диапазоне от - 60С до +60С;
т/э устройств термостатирования блоков электронной аппаратуры;
т/э систем для термостабилизации процессоров в современных компьютерах.
Некоторые из указанных приборов и методик внедрены в производство, что подтверждено актами внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту;
комплекс методик, позволяющих контролировать основные параметры термоэлектрических охлаждающих устройств в процессе разработки и исследований;
рекомендации по оптимизации известных методик расчета параметров ТОУ;
методика расчета теплофизических параметров реальных термоэлектрических устройств;
способы оптимизации конструкции термоэлектрических блоков с учетом нового конструктивного элемента-теплопровода;
методики расчета теплопровода по двум параметрам: максимальной разности температур и потребляемой мощности;
технология омических контактов к термоэлементам;
конструкции и технология сборки высокоэффективных термоэлектрических систем различного назначения;
результаты исследований ТОУ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и Информатика-98» (Москва, 1998г.), Девятой научно-технической конференции «Датчик-99» (Крым, Гурзуф, 1999г.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и Информатика-99» (Москва, 1999г.), Всероссийской научно-технической конференции «Сенсор 2000» (Санкт-Петербург, 2000г.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и Информатика-2000» (Москва, 2000г.). 3-й Международной научно-технической конференции «Электроника и кнформатика-XXI век» (Москва, 2000г.).
Приборы, технология и методики, разработанные в процессе подготовки диссертационной работы, экспонировались на 7 научно-технических выставках в стране и за рубежом. В том числе на международных салонах изобретений в 1998г. (Женева) и 1999г. (Париж) получены почетные дипломы и золотые медали,
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 13 работах, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложения.
Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 40 таблиц. Список использованных источников включает 120 наименований.
