THE ANALYSIS OF THERMOELECTRIC MODULE EFFICIENCY IN THE COOLING SYSTEMS

全文:

В современной электронике все острее становится проблема обеспечения оптимальных температурных режимов. Увеличение мощности радиоэлементов и степени интеграции полупроводниковых элементов в микросхемах приводит к увеличению плотности тепловых потоков и уменьшению размеров кристаллов. В результате в кристалле резко возрастает общий уровень тепловыделения, с которым традиционные методы теплоотвода уже не всегда справляются. В настоящее время для повышения интенсивности охлаждения мощных радиоэлементов и микросхем в системах теплоотвода активно применяются термоэлектрические модули (ТЭМ). Применение ТЭМ наделяет теплоотводящую систему функцией охлаждения, т. е. дает возможность достигать температуры элемента ниже значения окружающей среды. Термоэлектрические системы охлаждения обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения, а именно: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, компактностью и небольшим весом, малой инерционностью, бесшумностью работы. В то же время эффективность работы ТЭМ в теплоотводящей системе зависит от многих факторов. Процессы, происходящие в термоэлектрических устройствах, характеризуются нелинейной зависимостью тепловых и электрических явлений от режима электропитания, параметров теплоотводящей системы, температуры и других условий окружающей среды. Цель данной работы заключается в анализе зависимости эффективности термоэлектрической системы охлаждения от этих факторов. Обычная теплоотводящая система в общем виде имеет наиболее простую схему (рис. 1, а). Интегральным параметром, характеризующим эффективность теплопередачи в такой системе, является величина термического сопротивления R, определяющая температуру радиоэлемента в зависимости от его мощности тепловыделения Q: T = T0 + RQ, (1) где T, T0 - значения температуры радиоэлемента и окружающей среды. Величина R определяется типом теплоотводящей системы. Самым простым вариантом теплоотводящей системы является крепление радиоэлемента на плате, стенке металлического основания или корпуса прибора (рис. 2, а). Термическое сопротивление в этом случае определяется конфигурацией системы, теплопроводностью материала, толщиной стенки и другими параметрами. Оценим диапазон величины R для данной системы из расчета теплопередачи только за счет теплопроводного механизма в L-образной пластине 2, к которой прикреплен на высоте h тепловыделяющий элемент 1 (рис. 2, а). Расчеты проведены на основе численного решения двумерного уравнения теплопроводности при следующих параметрах: размеры вертикальной части пластины составляют 100x100 мм2, горизонтальной части (основания) -100x20 мм2, толщина 1 мм, коэффициент теплопроводности материала - 200 Вт/(мК), мощность тепловыделения элемента Q = 10 Вт на площадке 20x 20 мм2, термическое сопротивление теплового стыка (заполнен пастой) между основанием пластины и посадочным местом задано ~ 0,03 К/Вт, температура посадочного места T0 = 20 °C. На рис. 2, б приведено распределение температурного поля при значении h = 50 мм, температурный шаг между изолиниями равен 2 °C, штриховыми линиями обозначены габариты посадочной площадки элемента и граница между вертикальной частью и основанием пластины. Максимальное значение температуры под элементом равно Tmax = 54,4 °C, в данном случае величина термического сопротивления теплоотводящей системы R = (Tmax - T0)/Q = 3,44 К/Вт. Очевидно, что увеличение h приводит к повышению R (R = 5,03 К/Вт при h = 80 мм) и, наоборот, R снижается при уменьшении h (R = 1,91 К/Вт при h = 20 мм). Изменение коэффициента теплопроводности материала и толщины пластины также приводит к пропорциональному изменению R. Из результатов расчета следует, что для данного варианта теплоотводящей системы при типичных толщинах пластины (~ 1 мм) сложно добиться значений R < 1 К/Вт. Замена металлических пластин гипертеплопроводящими основаниями (ГТПО) позволяет существенно снизить величину R. ГТПО, по сути являющиеся плоскими тепловыми трубами, обладают эффективной теплопроводностью в несколько десятков раз большей, чем теплопроводность алюминия [1; 2]. При установке радиоэлемента на ГТПО возможно снижение суммарной величины R (с учетом тепловых контактов) до значения ~ 0,1 К/Вт. а б Рис. 1. Схема обычной системы теплоотвода (а); термоэлектрической системы охлаждения (б) Термическое сопротивление современных воздушных систем теплоотвода (кулеров) для компью- 10 Математика, механика, информатика терных процессоров значительно ниже, обычно они имеют значение R = 0,3-0,7 К/Вт, лучшие образцы с использованием тепловых трубок достигают R = 0,1 К/Вт. Жидкостные теплоотводящие системы имеют еще более высокую эффективность, но при этом они являются более сложными и габаритными устройствами, по этой причине возможность их применения существенно ограничена. Термическое сопротивление современных воздушных систем теплоотвода (кулеров) для компьютерных процессоров значительно ниже, обычно они имеют значение R = 0,3-0,7 К/Вт, лучшие образцы с использованием тепловых трубок достигают R = 0,1 К/Вт. Жидкостные теплоотводящие системы имеют еще более высокую эффективность, но при этом они являются более сложными и габаритными устройствами, по этой причине возможность их применения существенно ограничена. На эффективность термоэлектрической системы охлаждения помимо величины термического сопротивления значительное влияние оказывают рабочие характеристики и режим работы ТЭМ. В такой системе температура радиоэлемента определяется следующей зависимостью: T = T0 + RQ + RW - АГгэм (2) где W - электрическая мощность, потребляемая ТЭМ, ΔΤχ3Μ - разность температуры между холодным и горячим спаями модуля, обусловленная эффектом Пельтье, при передаче тепловой мощности Q при заданной силе тока электропитания. В формуле (2) два последних слагаемых определяют влияние ТЭМ на температуру радиоэлемента. Охлаждение радиоэлемента обеспечивается за счет разницы температуры ΔΤ^ на спаях ТЭМ, а слагаемое RW, наоборот, приводит к дополнительному температурному перепаду на термическом сопротивлении R системы теплоотвода при передаче тепловой мощности, выделяемой самим модулем. В итоге именно от взаимного соотношения величины этих слагаемых зависит эффективность работы термоэлектрической системы охлаждения. Следует также отметить, что в термоэлектрической системе охлаждения между радиоэлементом и теплоотводящей системой появляется дополнительный тепловой контакт, что приводит к определенному увеличению общего термического сопротивления R. Анализ режимов системы охлаждения проводился на основе исследования зависимости температуры радиоэлемента от силы тока I, потребляемой ТЭМ, и мощности Q при различных значениях термического сопротивления R. В общем случае выбор модели ТЭМ определяется тепловой мощностью, габаритами и требованиями к температурному режиму эксплуатации радиоэлемента. При проведении расчетов были использованы характеристики серийных ТЭМ «PE-287-10-15» (производитель ОАО « НІ Il І ТФП «ОС-ТЕРМ СПБ», г. Санкт-Петербург [3]) с параметрами: максимальный ток и напряжение Imax = 3,4 А, Umax = 35,5 В, его максимальная холодопроизводи-тельность при нулевой разнице температуры Q = 75 Вт, перепад температуры ΔΤτ^ = 74 °С при Q = 0. Следует также учитывать, что нагрузочные характеристики ТЭМ приведены при температуре горячего спая 25 °С для условий вакуума, в сухой воздушной среде показатели модуля будут ниже примерно на 5 %, в случае конденсации влаги в объеме ТЭМ снижение будет более значительным. а б Рис. 2. Конструкция обычной системы теплоотвода (а) и температурное поле в обычной системе теплоотвода (б) 11 Вестник СибГАУ. N 4(50). 2013 Рис. 3. Зависимости T(I) при значении Q = 30 Вт При разработке и эксплуатации термоэлектрической системы охлаждения важным вопросом является выбор оптимального рабочего режима. Управление режимами работы модуля осуществляется путем изменения силы тока (или напряжения) электропитания. Обычно производители рекомендуют номинальный режим работы ТЭМ при значении силы тока, равном (0,75+0,8)Imax. Однако в общем случае эффективность использования ТЭМ зависит также от тепловой нагрузки и параметров системы теплоотвода. Рассмотрим влияние силы тока I на эффективность охлаждения при заданных значениях мощности радиоэлемента Q и термического сопротивления R. На рис. 3 сплошными линиями приведены зависимости температуры радиоэлемента T(I) для трех значений термического сопротивления R = 0,1, 0,3 и 0,5 К/Вт при значении Q = 30 Вт. Штриховыми линиями на рисунке отмечены температурные уровни для обычной системы теплоотвода (без ТЭМ), рассчитанные по формуле (1) для таких же значений R. Минимумы на кривых T(I) соответствуют режимам с максимальной эффективностью системы охлаждения, при которых достигается наименьшая температура радиоэлемента. С ростом величины R положение минимумов зависимостей T(I) смещается в область меньших значений силы тока. При значениях R = 0,1 и 0,3 К/Вт термоэлектрическая система охлаждения позволяет получить более низкие значения температуры, чем обычная система теплоотвода во всем диапазоне значений I. Для R = 0,5 К/Вт использование ТЭМ при значениях силы тока I < 2,8 А также позволяет снизить температуру элемента. При более высоких значениях тока (I > 2,8 А) термоэлектрическая система, наоборот, приводит к росту температуры радиоэлемента. Это объясняется тем, что собственное тепловыделение модуля W дает на термическом сопротивлении R дополнительный перепад температуры больший, чем величина ΔΤ^, обусловленная термоэлектрическим эффектом Пельтье. С увеличением мощности тепловыделения элемента диапазон эффективных режимов I, А Рис. 4. Зависимости T(I) при значении Q = 50 Вт термоэлектрической системы охлаждения сужается. Зависимости T(I) для Q = 50 Вт приведены на рис. 4. Из анализа относительного расположения кривых T(I) для термоэлектрической системы и уровней обычной системы теплоотвода следует, что применение ТЭМ обеспечивает охлаждение элемента только при R = 0,1 К/Вт, при значениях R = 0,3 и 0,5 К/Вт температура элемента становится выше во всем диапазоне значений I. В данном случае общее снижение эффективности термоэлектрической системы охлаждения обусловлено уменьшением величины ΔΓ^μ; при увеличении холодопроизводительности модуля, соответствующему повышению тепловыделения радиоэлемента. Из проведенного сравнительного анализа режимов работы термоэлектрической системы охлаждения можно сделать следующие выводы: 1. Возможности использования ТЭМ для охлаждения теплонагруженных элементов следует рассматривать не изолированно, основываясь только на нагрузочных характеристиках, а в рамках всей системы охлаждения в целом с учетом параметров системы теплоотвода и суммарной тепловой нагрузки, включающей в себя тепловую мощность охлаждаемого радиоэлемента и энергопотребление ТЭМ. 2. Термоэлектрическая система охлаждения позволяет снижать температуру радиоэлемента в ограниченных диапазонах значений Q и R. Каждому набору Q и R из этих диапазонов соответствует оптимальное значение силы тока питания ТЭМ, при котором эффективность охлаждения является максимальной. Эффективность использования ТЭМ снижается при увеличении тепловой мощности элемента Q и термического сопротивления системы теплоотвода R. Библиографические ссылки 1. Вычислительное моделирование процессов теплообмена в системах терморегулирования космических аппаратов / Е. Н. Васильев,. В. А. Деревянко,

作者简介

Evgeniy Vasilyev

Institute of Computational Modeling Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

Email: ven@icm.krasn.ru
Candidate of Phisical and Mathematical Sciences, senior researcher 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

Valeriy Derevyanko

Institute of Computational Modeling Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

Email: dv@icm.krasn.ru
Candidate of Phisical and Mathematical Sciences, associate professor, Head of the Research Group “Spacecraft Heat Systems” 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

参考

补充文件