Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ
Рассмотрено влияние термоэлектрической эффективности исходных материалов модулей на показатели надежности термоэлектрического охлаждающего устройства (ТЭУ), функционирующего в граничных токовых режимах (Q0max и λmin) при различных значениях перепада температуры. Показано, что с ростом термоэлектриче...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2015
|
| Назва видання: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100478 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ / В.П. Зайков, В.И. Мещеряков, А.А. Гнатовская, Ю.И. Журавлев // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 1. — С. 44-48. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-100478 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1004782016-05-23T03:02:14Z Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ Зайков, В.П. Мещеряков, В.И. Гнатовская, А.А. Журавлев, Ю.И. Обеспечение тепловых режимов Рассмотрено влияние термоэлектрической эффективности исходных материалов модулей на показатели надежности термоэлектрического охлаждающего устройства (ТЭУ), функционирующего в граничных токовых режимах (Q0max и λmin) при различных значениях перепада температуры. Показано, что с ростом термоэлектрической эффективности материалов в модуле уменьшается интенсивность отказов ТЭУ, а следовательно, увеличивается вероятность его безотказной работы. Розглянуто вплив термоелектричної ефективності первинних матеріалів у модулі на показники надійності термоелектричного охолоджувального пристрою (ТЕП), який функціонує в умовах граничних токових режимів (Q0max и λmin) при різних перепадах температури. Показано, що із зростанням термоелектричної ефективності матеріалів в модулі зменшується інтенсивність відмов ТЕП, а відповідно, зростає вірогідність його безвідмовної роботи. The article presents research results on how thermoelectric efficiency modules affect the failure rate and the probability of non-failure operation in the range of working temperature of thermoelectric coolers. The authors investigate a model of relative failure rate and the probability of failure-free operation single-stage thermoelectric devices depending on the main relevant parameters: the operating current flowing through the thermocouple and resistance, temperature changes, the magnitude of the heat load and the number of elements in the module. 2015 Article Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ / В.П. Зайков, В.И. Мещеряков, А.А. Гнатовская, Ю.И. Журавлев // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 1. — С. 44-48. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2015.1.44 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100478 621.362.192 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Обеспечение тепловых режимов Обеспечение тепловых режимов |
| spellingShingle |
Обеспечение тепловых режимов Обеспечение тепловых режимов Зайков, В.П. Мещеряков, В.И. Гнатовская, А.А. Журавлев, Ю.И. Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description |
Рассмотрено влияние термоэлектрической эффективности исходных материалов модулей на показатели надежности термоэлектрического охлаждающего устройства (ТЭУ), функционирующего в граничных токовых режимах (Q0max и λmin) при различных значениях перепада температуры. Показано, что с ростом термоэлектрической эффективности материалов в модуле уменьшается интенсивность отказов ТЭУ, а следовательно, увеличивается вероятность его безотказной работы. |
| format |
Article |
| author |
Зайков, В.П. Мещеряков, В.И. Гнатовская, А.А. Журавлев, Ю.И. |
| author_facet |
Зайков, В.П. Мещеряков, В.И. Гнатовская, А.А. Журавлев, Ю.И. |
| author_sort |
Зайков, В.П. |
| title |
Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ |
| title_short |
Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ |
| title_full |
Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ |
| title_fullStr |
Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ |
| title_full_unstemmed |
Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ |
| title_sort |
влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. часть і: однокаскадные тэу |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Обеспечение тепловых режимов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100478 |
| citation_txt |
Влияние эффективности исходных материалов на показатели надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Часть І: Однокаскадные ТЭУ / В.П. Зайков, В.И. Мещеряков, А.А. Гнатовская, Ю.И. Журавлев // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 1. — С. 44-48. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| work_keys_str_mv |
AT zajkovvp vliânieéffektivnostiishodnyhmaterialovnapokazatelinadežnostitermoélektričeskihohlaždaûŝihustrojstvčastʹíodnokaskadnyetéu AT meŝerâkovvi vliânieéffektivnostiishodnyhmaterialovnapokazatelinadežnostitermoélektričeskihohlaždaûŝihustrojstvčastʹíodnokaskadnyetéu AT gnatovskaâaa vliânieéffektivnostiishodnyhmaterialovnapokazatelinadežnostitermoélektričeskihohlaždaûŝihustrojstvčastʹíodnokaskadnyetéu AT žuravlevûi vliânieéffektivnostiishodnyhmaterialovnapokazatelinadežnostitermoélektričeskihohlaždaûŝihustrojstvčastʹíodnokaskadnyetéu |
| first_indexed |
2025-07-07T08:52:41Z |
| last_indexed |
2025-07-07T08:52:41Z |
| _version_ |
1836977604980113408 |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 1
44
ÎÁÅÑÏÅЧÅÍÈÅ ÒÅÏËÎÂÛÕ ÐÅÆÈÌÎÂ
ISSN 2225-5818
ÓÄÊ 621.362.192
К. т. н. В. П. ЗАЙКОВ1, д. т. н. В. И. МЕЩЕРЯКОВ2,
к. т. н. А. А. ГНАТОВСКАЯ2, Ю. И. ЖУРАВЛЕВ3
Óêðàèíà, ã. Одåññà, 1НИИ «Шòîðм», 2Одåññêèé ãîñóдàðñòâåííыé ýêîëîãèчåñêèé óíèâåðñèòåò,
3Одåññêàÿ íàцèîíàëьíàÿ мîðñêàÿ àêàдåмèÿ
E-mail: gradan@ua.fm
ВЛИЯНИЕ ЭФФЕÊÒИВНОСÒИ ИСХОÄНЫХ
МАÒЕРИАЛОВ НА ПОÊАЗАÒЕЛИ НАÄЕЖНОСÒИ
ÒЕРМОЭЛЕÊÒРИЧЕСÊИХ ОХЛАЖÄАЮЩИХ
ÓСÒРОЙСÒВ. ЧАСÒЬ I: ОÄНОÊАСÊАÄНЫЕ ÒЭÓ
Одíèм èз îñíîâíыõ íàïðàâëåíèé ðàзâèòèÿ
è ñîâåðшåíñòâîâàíèÿ ñîâðåмåííîé ðàдèîýëåê-
òðîííîé àïïàðàòóðы (ÐЭА) ÿâëÿåòñÿ мèíèàòю-
ðèзàцèÿ ýëåмåíòîâ òâåðдîòåëьíîé ýëåêòðîíèêè,
чòî ïðèâîдèò ê óâåëèчåíèю óдåëьíыõ òåïëîâыõ
ïîòîêîâ è ñíèжåíèю íàдåжíîñòè åå фóíêцèî-
íèðîâàíèÿ. Одíèм èз íàèбîëåå ïðèåмëåмыõ
ñïîñîбîâ îбåñïåчåíèÿ òåïëîâîãî ðåжèмà ýëå-
мåíòîâ è ñîñòàâíыõ чàñòåé РЭА ÿâëÿåòñÿ òåð-
мîýëåêòðèчåñêèé. Оñíîâíîå åãî ïðåèмóщåñòâî
ïåðåд дðóãèмè ñïîñîбàмè îõëàждåíèÿ зàêëючà-
åòñÿ â âыñîêîé íàдåжíîñòè, мàëыõ ãàбàðèòíыõ
ðàзмåðàõ, ïðîñòîòå óïðàâëåíèÿ è быñòðîдåé-
ñòâèè. Эòè ïðåèмóщåñòâà ïî ñâîåé ñóòè ÿâëÿ-
юòñÿ ñëåдñòâèåм òâåðдîòåëьíîé ïðèðîды òàêèõ
îõëàдèòåëåé, ò. å. îòñóòñòâèåм дâèжóщèõñÿ чà-
ñòåé, ïåðåêàчèâàåмыõ жèдêîñòåé èëè ãàзîâ. В
íàñòîÿщåå âðåмÿ òåðмîýëåêòðèчåñêèé ñïîñîб
îõëàждåíèÿ шèðîêî ïðèмåíÿåòñÿ â ðàдèîýëåê-
òðîíèêå, êâàíòîâîé îïòèêå, СВЧ-òåõíèêå, èí-
фîðмàцèîííыõ ñèñòåмà è ò. д.
Ê îдíîмó èз îñíîâíыõ òðåбîâàíèé, ïðåдъÿâ-
ëÿåмыõ ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ñîâðåмåííîé РЭА,
ñëåдóåò îòíåñòè îбåñïåчåíèå âыñîêîãî óðîâíÿ åå
íàдåжíîñòè, чòî íàïðÿмóю ñâÿзàíî ñ ïîâышå-
íèåм íàдåжíîñòè ñîñòàâëÿющèõ åå ýëåмåíòîâ, â
òîм чèñëå è òåðмîýëåêòðèчåñêèõ îõëàждàющèõ
óñòðîéñòâ (ÒЭУ). Вîïðîñàм îцåíêè è ïðîãíîзè-
ðîâàíèÿ ïîêàзàòåëåé íàдåжíîñòè ÒЭÓ ïîñâÿщåí
ðÿд ðàбîò [1—7], íî îíè â îñíîâíîм îòíîñÿòñÿ
ê êîíñòðóêòèâíîмó ñïîñîбó ïîâышåíèÿ ïîêàзà-
òåëåé íàдåжíîñòè (âыбîð ðåжèмà ðàбîòы). Чòî
жå êàñàåòñÿ ïàðàмåòðèчåñêîãî мåòîдà ïîâышå-
íèÿ íàдåжíîñòè, òàêèå дàííыå â ëèòåðàòóðå îò-
ñóòñòâóюò.
Одíèм èз âîзмîжíыõ íàïðàâëåíèé ïàðàмå-
òðèчåñêîãî мåòîдà ïîâышåíèÿ íàдåжíîñòè ÒЭÓ
ÿâëÿåòñÿ óëóчшåíèå êàчåñòâà èñõîдíыõ òåðмî-
ýëåêòðèчåñêèõ мàòåðèàëîâ è, â ïåðâóю îчåðåдь,
Рассмотрено влияние термоэлектрической эффективности исходных материалов модулей на по-
казатели надежности термоэлектрического охлаждающего устройства (ТЭУ), функционирующе-
го в граничных токовых режимах (Q0max и lmin) при различных значениях перепада температуры.
Показано, что с ростом термоэлектрической эффективности материалов в модуле уменьшается ин-
тенсивность отказов ТЭУ, а следовательно, увеличивается вероятность его безотказной работы.
Ключевые слова: термоэлектрическое устройство, надежность, интенсивность отказов, эффек-
тивность, температура, рабочий ток.
èõ ýффåêòèâíîñòè. Одíîé èз îñíîâíыõ õàðàê-
òåðèñòèê ÒЭÓ òðàдèцèîííî ñчèòàåòñÿ мàêñè-
мàëьíыé ïåðåïàд òåмïåðàòóðы DTmax, êîòîðыé
îïðåдåëÿåòñÿ ýффåêòèâíîñòью ZM èñõîдíыõ
мàòåðèàëîâ è òåмïåðàòóðîé òåïëîïîãëîщàющå-
ãî ñïàÿ T0 [8]:
DTmax = 0,5ZMT0
2. (1)
Цåëью íàñòîÿщåé ðàбîòы ÿâëÿåòñÿ àíàëèз
âëèÿíèÿ òåðмîýëåêòðèчåñêîé ýффåêòèâíîñòè
èñõîдíыõ мàòåðèàëîâ мîдóëåé îдíîêàñêàдíыõ
ÒЭÓ íà òàêèå ïîêàзàòåëè èõ íàдåжíîñòè, êàê
èíòåíñèâíîñòь îòêàзîâ è âåðîÿòíîñòь бåзîòêàз-
íîé ðàбîòы ïðè Т = 300 Ê.
Иññëåдîâàíèÿ ïðîâîдèëèñь дëÿ ñëåдóющèõ
óñðåдíåííыõ зíàчåíèé òåðмîýëåêòðèчåñêîé ýф-
фåêòèâíîñòè èñõîдíыõ мàòåðèàëîâ ZM ïðè ðàз-
ëèчíыõ зíàчåíèÿõ ðàбîчåãî ïåðåïàдà òåмïåðà-
òóðы DT:
ZM = 2,4⋅10–3 1/Ê, DT = 65 K (дëÿ óñëîâèé
ñåðèéíîãî ïðîèзâîдñòâà);
ZM = 2,6⋅10–3 1/Ê, DT = 68 Ê (дëÿ ëàбîðà-
òîðíыõ óñëîâèé);
ZM = 2,75⋅10–3 1/Ê, DT = 72 Ê (мàêñèмàëь-
íîå зíàчåíèå).
С ðîñòîм òåðмîýëåêòðèчåñêîé ýффåêòèâíî-
ñòè èñõîдíыõ мàòåðèàëîâ óâåëèчèâàåòñÿ мàêñè-
мàëьíыé ïåðåïàд òåмïåðàòóðы, à ñëåдîâàòåëьíî,
óмåíьшàåòñÿ îòíîñèòåëьíыé ïåðåïàд òåмïåðà-
òóðы, óâåëèчèâàåòñÿ õîëîдîïðîèзâîдèòåëь íîñòь
îдíîãî òåðмîýëåмåíòà, чòî ïîзâîëÿåò óмåíь-
шèòь êîëèчåñòâî òåðмîýëåмåíòîâ. Вñå ýòî ïðè-
âîдèò ê óëóчшåíèю ïîêàзàòåëåé íàдåжíîñòè —
óмåíьшåíèю èíòåíñèâíîñòè îòêàзîâ l è óâåëèчå-
íèю âåðîÿòíîñòè бåзîòêàзíîé ðàбîòы P.
Äëÿ îïðåдåëåíèÿ l è Р âîñïîëьзóåмñÿ мî-
дåëью âзàèмîñâÿзè ïîêàзàòåëåé íàдåжíîñòè è
îñíîâíыõ зíàчèмыõ ïàðàмåòðîâ îдíîêàñêàдíî-
ãî ÒЭÓ [4, ñ. 22—25].
DOI: 10.15222/TKEA2015.1.44
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 1
45
ÎÁÅÑÏÅЧÅÍÈÅ ÒÅÏËÎÂÛÕ ÐÅÆÈÌÎÂ
ISSN 2225-5818
Оòíîñèòåëьíóю âåëèчèíó èíòåíñèâíîñòè îò-
êàзîâ мîжíî зàïèñàòь â âèдå
,
T
T
n B C B T
T
K
1 max
max
T
0
0
2
2
0
2
λ
λ
θ
θ θ
∆
∆
=
+
+ +
d
] d
n
g n
(2)
íîмèíàëьíàÿ èíòåíñèâíîñòь îòêàзîâ (1/ч);
îòíîñèòåëьíыé ðàбîчèé òîê, B=I/Imax;
ðàбîчèé òîê (А);
мàêñèмàëьíыé ðàбîчèé òîê (А), Imax = eT0/R;
ñîîòâåòñòâåííî, êîýффèцèåíò òåðмîýдñ
(B/K) è ýëåêòðèчåñêîå ñîïðîòèâëåíèå âåò-
âè òåðмîýëåмåíòà (Ом);
îòíîñèòåëьíыé ïåðåïàд òåмïåðàòóðы,
q = DT/DTmax = (T – T0)/DTmax;
îòíîñèòåëьíàÿ òåïëîâàÿ íàãðóзêà,
C = Q0/(n I2
maxR)
êîëèчåñòâî òåðмîýëåмåíòîâ;
òåïëîâàÿ íàãðóзêà (Вò);
êîýффèцèåíò зíàчèмîñòè, óчèòыâàющèé
âëèÿíèå ïîíèжåííыõ òåмïåðàòóð.
ãдå l0 —
B —
I —
Imax —
e, R –
q —
C —
n —
Q0 —
KT —
Вåðîÿòíîñòь бåзîòêàзíîé ðàбîòы ÒЭÓ мîж-
íî зàïèñàòь â âèдå:
P = exp(–lt), (3)
ãдå t — íàзíàчåííыé ðåñóðñ.
В таблице ïðèâåдåíы ðåзóëьòàòы ðàñчåòîâ
îñíîâíыõ зíàчèмыõ ïàðàмåòðîâ ïîêàзàòåëåé
íàдåжíîñòè îдíîêàñêàдíыõ ÒЭÓ â ðåжèмå мàê-
ñèмàëьíîé õîëîдîïðîèзâîдèòåëьíîñòè (Q0max)
è â ðåжèмå мèíèмàëьíîé èíòåíñèâíîñòè îòêà-
зîâ (lmin) ïðè ñëåдóющèõ èñõîдíыõ дàííыõ:
Q0 = 2,0 Вò; DT = 40, 50, 60 Ê; îòíîшåíèå
дëèíы òåðмîýëåмåíòà ê ïëîщàдè åãî ñåчåíèÿ
l/S = 10 ñм–1; l0=3⋅10–8 1/ч; t=104 ч. (Выбîð
ðåжèмîâ Q0max è lmin îбóñëîâëåí èõ мàêñè-
мàëьíым îòëèчèåм ïî l.)
Аíàëèз ðàñчåòíыõ дàííыõ ïîêàзàë, чòî дëÿ
ðàзëèчíыõ зíàчåíèé зàдàííîãî ïåðåïàдà òåм-
ïåðàòóðы DT ðîñò òåðмîýëåêòðèчåñêîé ýффåê-
òèâíîñòè â èíòåðâàëå (2,4—2,75)⋅10–3 1/Ê ïðè
Т = 300 Ê ïðèâîдèò ê ñëåдóющåмó:
— óâåëèчèâàåòñÿ â ñðåдíåм íà 18% мàêñèмàëь-
íыé ïåðåïàд òåмïåðàòóðы (рис. 1);
— óâåëèчèâàåòñÿ дî 30% мàêñèмàëьíыé ðà-
бîчèé òîê;
Режим
работы I, A q В Е n l,
10–8 1/ч Р
DT=40 К
ZM=2,4⋅10–3 1/К
Q0max 4,92 0,500 1,00 0,22 15,9 48,70 0,9951
lmin 2,00 0,41 0,33 52,3 4,18 0,9996
ZM=2,6⋅10–3 1/К
Q0max 6,00 0,455 1,00 0,24 11,6 35,50 0,9964
lmin 2,20 0,37 0,38 42,8 2,24 0,9998
ZM=2,75⋅10–3 1/К
Q0max 6,55 0,430 1,00 0,25 9,80 30,00 0,9970
lmin 2,30 0,35 0,42 37,9 1,58 0,9998
DT=50 К
ZM=2,4⋅10–3 1/К
Q0max 4,70 0,70 1,00 0,125 29,6 91,30 0,9909
lmin 2,82 0,60 0,145 63,4 26,35 0,9974
ZM=2,6⋅10–3 1/К
Q0max 5,50 0,63 1,00 0,150 19,6 60,45 0,9940
lmin 2,94 0,54 0,200 47,2 12,30 0,9988
ZM=2,75⋅10–3 1/К
Q0max 6,05 0,59 1,00 0,170 15,7 48,40 0,9952
lmin 3,00 0,50 0,230 40,3 7,92 0,9992
DT=60 К
ZM=2,4⋅10–3 1/К
Q0max 4,56 0,91 1,00 0,034 106,9 332,0 0,9673
lmin 3,80 0,83 0,036 157,7 244,5 0,9758
ZM=2,6⋅10–3 1/К
Q0max 5,43 0,82 1,00 0,072 43,7 135,6 0,9865
lmin 4,00 0,73 0,075 73,5 69,3 0,9931
ZM=2,75⋅10–3 1/К
Q0max 5,87 0,77 1,00 0,092 30,6 95,0 0,9905
lmin 4,00 0,68 0,100 55,1 39,3 0,9961
Основные значимые параметры показателей надежности однокаскадных ТЭУ
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 1
46
ÎÁÅÑÏÅЧÅÍÈÅ ÒÅÏËÎÂÛÕ ÐÅÆÈÌÎÂ
ISSN 2225-5818
DTmax, Ê
90
80
70
2,4 2,5 2,6 2,7
ZM, 10–3 1/Ê
Рèñ. 1. Зàâèñèмîñòь мàêñèмàëьíîãî ïåðåïàдà òåм-
ïåðàòóðы îò ZM мîдóëÿ îдíîêàñêàдíîãî ÒЭÓ ïðè
T = 300 K è ðàзëèчíыõ зíàчåíèÿõ DТ
DT = 40 Ê
50 Ê
60 Ê
B
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
2,4 2,5 2,6 2,7
ZM, 10–3 1/Ê
DT = 40 Ê
50 Ê
60 Ê
Рèñ. 2. Зàâèñèмîñòь îòíîñèòåëьíîãî ðàбîчåãî òîêà
îдíîêàñêàдíîãî ÒЭÓ îò ZM мîдóëÿ дëÿ ðåжèмà lmin
ïðè T = 300 K è ðàзëèчíыõ зíàчåíèÿõ DÒ
Рèñ. 4. Зàâèñèмîñòь èíòåíñèâíîñòè îòêàзîâ (а) è âåðîÿòíîñòè бåзîòêàзíîé ðàбîòы (б) îò ZM мîдóëÿ îдíî-
êàñêàдíîãî ÒЭÓ дëÿ ðåжèмîâ Q0max (ñïëîшíыå ëèíèè) è lmin (ïóíêòèð) ïðè T = 300 K è ðàзëèчíыõ зíà-
чåíèÿõ DТ
140
120
100
80
60
40
20
0
2,4 2,5 2,6 2,7
ZM, 10–3 1/Ê
l⋅
10
8 ,
1
/
чà
ñ
DT = 60 Ê
50 Ê
60 Ê
50 Ê
40 Ê
40 Ê
à) P
0,998
0,996
0,994
0,992
0,990
0,988
0,986
2,4 2,5 2,6 2,7
ZM, 10–3 1/Ê
б)
Рèñ. 3. Зàâèñèмîñòь êîëèчåñòâà òåðмîýëåмåíòîâ (а) è õîëîдèëьíîãî êîýффèцèåíòà E (б) îò ZM мîдóëÿ îд-
íîêàñêàдíîãî ÒЭÓ дëÿ ðåжèмîâ Q0max (ñïëîшíыå ëèíèè) è lmin (ïóíêòèð) ïðè T = 300 K è ðàзëèчíыõ зíà-
чåíèÿõ DТ
n
100
80
60
40
20
2,4 2,5 2,6 2,7
ZM, 10–3 1/Ê
DT = 60 Ê
50 Ê
60 Ê
50 Ê
40 Ê
40 Ê
à) E
0,4
0,3
0,2
0,1
2,4 2,5 2,6 2,7
ZM, 10–3 1/Ê
DT = 40 Ê
50 Ê
60 Ê
б)
DT = 60 Ê
50 Ê
60 Ê
50 Ê
40 Ê
60 Ê
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 1
47
ÎÁÅÑÏÅЧÅÍÈÅ ÒÅÏËÎÂÛÕ ÐÅÆÈÌÎÂ
ISSN 2225-5818
— óмåíьшàåòñÿ дî 15% îòíîñèòåëьíыé ïåðå-
ïàд òåмïåðàòóðы;
— óмåíьшàåòñÿ дî 15% îòíîñèòåëьíыé ðà-
бîчèé òîê â ðåжèмå lmin (рис. 2; â ðåжèмå
Q0max В=1,0=const);
— óмåíьшàåòñÿ êîëèчåñòâî òåðмîýëåмåíòîâ
(â ðåжèмå Q0max— дî 40% ïðè зíàчåíèÿõ DT,
ðàâíыõ 40 è 50 Ê, è ðåзêî óмåíьшàåòñÿ ïðè
DT = 60 Ê; рис. 3, а);
— óâåëèчèâàåòñÿ дî 30% õîëîдèëьíыé êî-
ýффèцèåíò E (ðèñ. 3, б);
— óмåíьшàåòñÿ èíòåíñèâíîñòь îòêàзîâ (â
ñðåдíåм íà 50% â ðåжèмå Q0max è íà 70% â ðå-
жèмå lmin, ïðèчåм ïðè óâåëèчåíèè DT дî 60 Ê
ïðîèñõîдèò ðåзêîå ñíèжåíèå l; рис. 4, а)
— óâåëèчèâàåòñÿ âåðîÿòíîñòь бåзîòêàзíîé
ðàбîòы (ñ ðîñòîм DT íàбëюдàåòñÿ ðåзêèé ðîñò
Р; ðèñ. 4, б).
Нà рис. 5 ïðèâåдåíà зàâèñèмîñòь îò îбщåãî
ïåðåïàдà òåмïåðàòóðы êîýффèцèåíòà К, îòðà-
жàющåãî âзàèмîñâÿзь îòíîñèòåëьíыõ èзмåíå-
íèé èíòåíñèâíîñòè îòêàзîâ Dl/l è òåðмîýëåê-
òðèчåñêîé ýффåêòèâíîñòè DZM/ZM.
Сëåдóåò îòмåòèòь, чòî íà ðèñ. 5 зàшòðèõîâà-
íà îбëàñòь, îбðàзîâàííàÿ êðèâымè дëÿ ýêñòðå-
мàëьíыõ ðåжèмîâ Q0max è lmin, â êîòîðîé ëåжàò
зàâèñèмîñòè дëÿ âñåõ ïðîмåжóòîчíыõ ðåжèмîâ.
Аíàëèз ïîëóчåííыõ дàííыõ ïîêàзыâàåò, чòî
ðîñò òåðмîýëåêòðèчåñêîé ýффåêòèâíîñòè èñõî-
Рèñ. 5. Зàâèñèмîñòь êîýффèцèåíòà K
Z Z
λ λ
∆
∆
= îò îб-
щåãî ïåðåïàдà òåмïåðàòóðы DТ дëÿ ðåжèмîâ Q0max (1)
è lmin (2) ïðè Т=300 Ê, l/S=10 ñм–1
K
5
4
3
2
30 40 50 60 DT, Ê
2
1
дíыõ мàòåðèàëîâ â мîдóëå ïðèâîдèò ê óмåíь-
шåíèю èíòåíñèâíîñòè îòêàзîâ l ñ ðîñòîм ïå-
ðåïàдà òåмïåðàòóðы DT. Нàïðèмåð, óâåëèчå-
íèå ZM íà 1% ïîзâîëÿåò óмåíьшèòь èíòåíñèâ-
íîñòь îòêàзîâ íà 2,6—4,3% â ðåжèмå Q0max è
íà 4,2—5,0% â ðåжèмå lmin ïðè èзмåíåíèè DТ â
дèàïàзîíå îò 40 дî 60 K.
Âыводы
Пðîâåдåííыå èññëåдîâàíèÿ ïîêàзàëè, чòî
óâåëèчåíèå òåðмîýëåêòðèчåñêîé ýффåêòèâíî-
ñòè èñõîдíыõ мàòåðèàëîâ ïîзâîëÿåò óëóчшèòь
ïîêàзàòåëè íàдåжíîñòè ÒЭÓ — óмåíьшèòь èí-
òåíñèâíîñòь îòêàзîâ l è óâåëèчèòь âåðîÿòíîñòь
бåзîòêàзíîé ðàбîòы P дëÿ зàдàííыõ ïàðàмå-
òðîâ (ïåðåïàд òåмïåðàòóðы, òåïëîâàÿ íàãðóз-
êà è ðåжèм ðàбîòы). Сîâмåщåíèå êîíñòðóêòèâ-
íыõ мåòîдîâ (âыбîð ðåжèмà ðàбîòы lmin) c ïà-
ðàмåòðèчåñêèмè ïîзâîëÿåò ïîñòðîèòь ÒЭÓ ïî-
âышåííîé íàдåжíîñòè.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСÒОЧНИÊИ
1. Зàéêîâ В.П., Мîèñååâ В.Ф. Вëèÿíèå ðåжèмà ðàбî-
òы òåðмîýëåêòðèчåñêîãî óñòðîéñòâà íà åãî íàдåжíîñòь //
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòó-
ðå.— 2001.— ¹ 4—5.— С. 30—32.
2. Зàéêîâ В.П., Êèíшîâà Л.А., Мîèñååâ В.Ф. è дð.
Выбîð ðåжèмà òåðмîýëåêòðèчåñêîãî îõëàждàющåãî óñòðîé-
ñòâà, îбåñïåчèâàющåãî мèíèмàëьíóю èíòåíñèâíîñòь îòêà-
зîâ // Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àï-
ïàðàòóðå.— 2008.— ¹ 2.— С. 45—47.
3. Зàéêîâ В.П., Êèíшîâà Л.А., Мàðчåíêî В.И. Вëèÿíèå
òåïëîâîé íàãðóзêè íà ïîêàзàòåëè íàдåжíîñòè òåðмîýëåê-
òðèчåñêîãî óñòðîéñòâà // Òåïëîâыå ðåжèмы è îõëàждå-
íèå РЭА.— 2003.— Выï. 1.— С. 56 — 62.
4. Зàéêîâ В.П., Êèíшîâà Л.А., Мîèñååâ В.Ф.
Пðîãíîзèðîâàíèå ïîêàзàòåëåé íàдåжíîñòè òåðмîýëåêòðè-
чåñêèõ îõëàждàющèõ óñòðîéñòâ. Êíèãà 1. Одíîêàñêàдíыå
óñòðîéñòâà. — Одåññà: Пîëèòåõïåðèîдèêà, 2009.
5. Лàó П.С., Нýéджè М.Äж. Оцåíêà íàдåжíîñòè òåð-
мîýëåêòðèчåñêèõ õîëîдèëьíèêîâ // Òåðмèчåñêîå îбîðóдî-
âàíèå. Òåõíîëîãèÿ.— 2004.— Выï. 1.— С. 43 — 46.
6. Iversen B.B., A Palmqvist.E., Cox D.E.et al. Why are
clathrates good candidates for thermoelectric materials //
Solid State Chem.— 2000.— Vol. 149.— P. 455-458.
7. Riffat S.R., Xiaoli M. Improving the coefficient of
performance of thermoelectric cooling systems // Internation
journal of energy research.— 2004.— Vol. 28.— P. 78—85.
8. Êîëåíêî Е.А., Сòèëьбàíñ Л.С. Òåðмî ýëåêòðèчåñêèå
õîëîдèëьíèêè // Пîëóïðîâîд íèêè â íàóêå è òåõíèêå.—
Изд-âî АН СССР, 1958.— C. 249—250.
Äата поступления рукописи
в редакцию 11.12 2013 г.
В. П. ЗАЙКОВ, В. І. МЕЩЕРЯКОВ, Г. А. ГНАТОВСЬКА, Ю. І. ЖУРАВЛЬОВ
Óêðàїíà, м. Одåñà, 1НÄІ «Шòîðм», 2Одåñьêèé дåðжàâíèé åêîëîãічíèé óíіâåðñèòåò,
3Одåñьêà íàціîíàëьíà мîðñьêà àêàдåміÿ
E-mail: gradan@ua.fm
ВПЛИВ ЕФЕÊÒИВНОСÒІ ПЕРВИННИХ МАÒЕРІАЛІВ НА ПОÊАЗНИÊИ
НАÄІЙНОСÒІ ÒЕРМОЕЛЕÊÒРИЧНИХ ОХОЛОÄЖÓВАЛЬНИХ ПРИСÒРОЇВ.
ЧАСÒИНА І: ОÄНОÊАСÊАÄНІ ÒЕП
Розглянуто вплив термоелектричної ефективності первинних матеріалів у модулі на показники
надійності термоелектричного охолоджувального пристрою (ТЕП), який функціонує в умовах гранич-
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 1
48
ÎÁÅÑÏÅЧÅÍÈÅ ÒÅÏËÎÂÛÕ ÐÅÆÈÌÎÂ
ISSN 2225-5818
V. P. ZAIKOV1, V. I. MESHCHERYAKOV2,
A. A. GNATOVSKAYA2, Yu. I. ZHURAVLEV3
Odessa, Ukraine, 1Research Institute «Storm»,
2Odessa State Environmental University,
3Odessa National Maritime Academy
E-mail: gradan@ua.fm
INFLUENCE OF THE EFFECTIVENESS OF RAW MATERIALS
ON THE RELIABILITY OF THERMOELECTRIC COOLING DEVICES.
PART I: SINGLE-STAGE TEDs
Increase of the reliability of information systems depends on the reliability improvement of their component
elements, including cooling devices, providing efficiency of thermally loaded components. Thermoelectric
devices based on the Peltier effect have significant advantages compared with air and liquid systems for
thermal modes of the radio-electronic equipment. This happens due to the absence of moving parts, which
account for the failure rate.
The article presents research results on how thermoelectric efficiency modules affect the failure rate and
the probability of non-failure operation in the range of working temperature of thermoelectric coolers. The
authors investigate a model of relative failure rate and the probability of failure-free operation single-stage
thermoelectric devices depending on the main relevant parameters: the operating current flowing through the
thermocouple and resistance, temperature changes, the magnitude of the heat load and the number of elements
in the module.
It is shown that the increase in the thermoelectric efficiency of the primary material for a variety of
thermocouple temperature changes causes the following: maximum temperature difference increases by 18%;
the number of elements in the module decreases; cooling coefficient increases; failure rate reduces and the
probability of non-failure operation of thermoelectric cooling device increases. Material efficiency increase by
1% allows reducing failure rate by 2,6—4,3% in maximum refrigeration capacity mode and by 4,2—5,0% in
minimal failure rate mode when temperature difference changes in the range of 40—60 K.
Thus, the increase in the thermoelectric efficiency of initial materials of thermocouples can significantly
reduce the failure rate and increase the probability of failure of thermoelectric coolers depending on the
temperature difference and the current operating mode.
Key words: thermoelectric device, reliability, failure rate, temperature, operating current
REFERENCES
1. Zaikov V. P., Moiseev V. F. [Effect of operating
a thermoelectric device on its reliability] Tekhnologiya i
konstruirovanie v elektronnoi apparature, 2001, no 4-5, pp.
30-32. (in Russian)
2. Zaikov V. P., Kinshova L. A., Moiseev V. F., Efremov
V. I., Melnik Yu. V. [Choice of operation mode of the ther-
moelectrical cooling device, ensuring the minimal failure rate].
Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature,
2008, no 2, pp. 45-47. (in Russian)
3. Zaikov V. P., Kinshova L. A., Marchenko V.I. [Effect
of the heat load on reliability parameters of the thermoelectric
device]. Teplovye rezhimy i okhlazhdenie REA, 2003, iss. 1,
pp. 56-62. (in Russian)
4. Zaikov V. P., Kinshova L. A., Moiseev V. F.
Prognozirovanie pokazatelei nadezhnosti termoelektricheskikh
okhlazhdayushchikh ustroistv. Kniga 1. Odnokaskadnye
ustroistva [Forecasting reliability performance of thermoelec-
tric cooling devices. Book 1. Single stage device]. Odessa,
Politehperiodika, 2009, 118 p. (in Russian)
5. Lau P.S., Neiji M.J. [Evaluation of reliability of ther-
moelectric coolers] Termicheskoe oborudovanie. Tekhnologiya,
2004, iss. 1, pp. 43-46. (in Russian)
6. Iversen B.B., A Palmqvist.E., Cox D.E., Nolas G.S.,
Stucky G.D., Blake N.P., Metiu H. Why are clathrates good
candidates for thermoelectric materials. Solid State Chem.,
2000, vol. 149, pp. 455-458.
7. Riffat S.R., Xiaoli M. Improving the coefficient of
performance of thermoelectric cooling systems. Internation
journal of energy research, 2004, vol. 28, pp. 78-85.
8. Kolenko E.A., Stil'bans L.S. [Thermoelectric coolers].
Poluprovodniki v nauke i tekhnike. Izd-vo AN SSSR, 1958,
pp. 249-250. (in Russian)
DOI: 10.15222/TKEA2015.1.44
UDC 621.317: 621.3.08
них токових режимів (Q0max и lmin) при різних перепадах температури. Показано, що із зростан-
ням термоелектричної ефективності матеріалів в модулі зменшується інтенсивність відмов ТЕП, а
відповідно, зростає вірогідність його безвідмовної роботи.
Ключові слова: термоелектричний пристрій, надійність, інтенсивність відмов, ефективність, темпе-
ратура, робочий струм.
|