vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2019-46-4-53-64vdgtu-713Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER, METALLURGICAL AND CHEMICAL MECHANICAL ENGINEERINGТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА МОДУЛЬНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯTHERMOELECTRIC SYSTEM FOR PROVIDING A HEAT REGIME FOR MODULAR ELECTRONIC EQUIPMENTЮсуфовШ. А.YusufovSh. A.

кандидат технических наук, доцент, кафедра теоретической и общей электротехники,

367026, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля, 70

Cand. Sci. (Technical), Ass. Prof., Department of Theoretical and General Electrical Engineering,

 70 I. Shamil Ave., Makhachkala 367026

yshirali@yandex.ruИбрагимоваА. М.IbragimovaA. M.

соискатель кафедры теоретической и общей электротехники,

367026, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля, 70

Applicant, Department of Theoretical and General Electrical Engineering,

70 I. Shamil Ave., Makhachkala 367026

ibrasya@mail.ruПередковС. А.PeredkovS. A.

аспирант, кафедра теоретической и общей электротехники,

367026, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля, 70

Post-graduate student, Department of Theoretical and General electrical engineering,

 70 I. Shamil Ave., Makhachkala 367026

peredkov@mail.ruСаркаровТ. Э.SarkarovT. E.

доктор технических наук, профессор, кафедра теоретической и общей электротехники,

367026, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля, 70

Dr. Sci.(Technical), Prof., Department of Theoretical and General electrical engineering,

 70 I. Shamil Ave., Makhachkala 367026

sarkarovta@mail.ruМитаровР. Г.MitarovR. G.

доктор технических наук, профессор, кафедра физики,

367026, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля, 70

Dr. Sci. (Technical ), Prof., Department of Physics,

 70 I. Shamil Ave., Makhachkala 367026

R4616@yandex.ruДагестанский государственный технический университетРоссияDaghestan State Technical UniversityRussian Federation2019311220194645364Copyright © Юсуфов Ш.А., Ибрагимова А.М., Передков С.А., Саркаров Т.Э., Митаров Р.Г., 20202020Юсуфов Ш.А., Ибрагимова А.М., Передков С.А., Саркаров Т.Э., Митаров Р.Г.Yusufov S.A., Ibragimova A.M., Peredkov S.A., Sarkarov T.E., Mitarov R.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/713

Цель. В статье рассматривается термоэлектрическая охлаждающая система (ТЭОС) для обеспечения теплового режима модульного электронного оборудования (МЭО), размещенного в шкафу. Основной задачей, стоящей при проведении экспериментальных исследований, являлось определение температурных зависимостей тепловыделяющих элементов имитатора электронной платы при их охлаждении воздушным потоком от параметров ТЭОС. Метод. Для проведения экспериментальных исследований термоэлектрической системы охлаждения электронных плат в блоках кассетной конструкции с использованием термоэлектрической охлаждающей системы был разработан стенд, на котором исследовался разработанный и изготовленный в лаборатории опытный образец. Результат. Представлены направления конструктивных решений использования ТЭОС устройства, приведено описание экспериментального стенда и методики проведения эксперимента, приведены зависимости температуры на имитаторе электронной платы от отводимой ТЭОС мощности, температур горячих и холодных спаев, скорости воздушного потока и расстояния между электронными платами. Вывод. “кспериментальные исследования подтверждают работоспособность разработанной системы охлаждения МЭО; указанный способ охлаждения имеет преимущества перед обычным принудительным или естественным и достигать температур, необходимых по техническим условиям эксплуатации; при выборе вентилятора для обеспечения принудительного циркулирования воздушного потока в системе необходимо учитывать скорость воздушного потока в канале; необходимо резервировать мощность источника электропитания для функционирования ТЭОС пропорционально мощности источников тепловыделений. Кроме того, важным моментом для функционирования ТОУ является обеспечение эффективного отвода теплоты с горячих спаев используемых ТЭМ, и при отсутствии условий для его реализации делает невозможным применение предложенной системы.

Objectives

Objectives. The article discusses a thermoelectric cooling system (TECS) for ensuring the thermal regime of modular electronic equipment (MEE) located in a cabinet. The main task of the experimental studies is to determine the temperature dependencies of the air-cooled heat-generating elements of a printed circuit board simulator according to TEСS parameters.

Method

Method. In order to conduct experimental studies of a thermoelectric cooling system for printed circuit boards in cassette units using a thermoelectric cooling system, a prototype designed and manufactured in the laboratory was studied on a testing stand.

Result

Result. The directions of constructive solutions for using a TECS device are presented along with a description of the testing stand and procedure. The dependencies of the temperature of the printed circuit board simulator on the heat power taken away by the TECS are considered along with the temperatures of hot and cold junctions, the air flow velocity and the distance between the electronic boards.

Conclusion

Conclusion. The operability of the developed MEE cooling system is confirmed by the experimental studies; the specified cooling method has advantages over conventional forced or natural method and can achieve the temperatures required by the technical operating conditions; when choosing a fan to provide forced circulation of the air flow in the system, it is necessary to take into account the speed of the air flow in the channel; it is necessary to reserve the power of the power supply for the TECS operation in proportion to the power of the heat sources. An important additional point for the functioning of the thermoelectric cooling device is the necessity of ensuring the effective removal of heat from the hot junctions of the thermoelectric module without which it is impossible to use the proposed system. 

термоэлектрическая охлаждающая систематепловой режимэлектронное оборудованиеэкспериментальные исследованияэлектронная платаthermoelectric cooling systemthermal regimeelectronic equipmentexperimental studiesprinted circuit boardReferencesИсмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. С.-Пб.: Политехника, 2005.Ismailov T.A. Termoelektricheskiye poluprovodnikovyye ustroystva i intensifikatory teploperedachi. S-Pb.: Politekhnika, 2005. [Ismailov T.A. Thermoelectric semiconductor devices and heat transfer intensifiers. St. Petersburg: Polytechnic, 2005. (In Russ)]Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М. Охлаждение радиоэлектронных систем: учебное пособие. - Махачкала: ИПЦ ДГТУ, 2012. – 165 с.Ismailov T.A., Gadzhiyev KH.M. Okhlazhdeniye radioelektronnykh sistem: uchebnoye posobiye. - Makhachka-la: IPTS DGTU, 2012. – 165 s. [Ismailov T.A., Gadzhiev H.M. Cooling of electronic systems: a training manual. - Makhachka-la: CPI DGTU, 2012. 165 p. (In Russ)]Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Нежведилов Т.Д. Термостабилизация микроэлектронной аппаратуры при помощи полупроводниковых термоэлектрических устройств.- Махачкала: ИПЦ ДГТУ, 2013. – 149 с.Ismailov T.A., Gadzhiyev KH.M., Nezhvedilov T.D. Termostabilizatsiya mikroelektronnoy apparatury pri pomoshchi poluprovodnikovykh termoelektricheskikh ustroystv. Makhachkala: IPTS DGTU, 2013. 149 s. [Ismailov T.A., Gadzhiev H.M., Nezhvedilov T.D. Thermostabilization of microelectronic equipment using semiconductor thermoelectric devices. Makhachkala: CPI DGTU, 2013. 149 p. (In Russ)]Рашидханов А.Т., Юсуфов Ш.А. Система обеспечения теплового режима шкафа телекоммуникационного оборудования. / Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2017;44(2):87-96. DOI:10.21822/2073-6185-2017-44-2-87-96Rashidkhanov A.T., Yusufov SH.A. Sistema obespecheniya teplovogo rezhima shkafa telekommunikatsi-onnogo oborudovaniya / Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Tekh-nicheskiye nauki. 2017; 44(2):87-96. DOI:10.21822/2073-6185-2017-44-2-87-96 [Rashidkhanov A.T., Yusufov Sh.A. The system for ensuring the thermal regime of the telecommunication equipment cabinet. / Нerald of Dagestan State Technical University. Technical science. 2017; 44 (2): 87-96. DOI: 10.21822/2073-6185-2017-44-2-87-96 (In Russ)]Патент РФ № 2203523 Шкаф для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры / Исмаилов Т.А., Цеханская Т.Э., Салманов Н.Р., Юсуфов Ш.А.Patent RF № 2203523 Shkaf dlya okhlazhdeniya radioelektronnoy apparatury / Ismailov T.A., Tse-khanskaya T.E., Salmanov N.R., Yusufov SH.A. [RF patent No. 2203523 Cabinet for cooling electronic equipment / Ismailov T.A., Tsekhanskaya T.E., Salmanov N.R., Yusufov Sh.A. (In Russ)]Патент РФ №369860. Устройство охлаждения аппаратуры / Воронин Г.И., Антонов Ю.В., Федоров В.Н., Чижиков Ю.В., Дрынь В.П.Patent RF №369860. Ustroystvo okhlazhdeniya apparatury / Voronin G.I., Antonov YU.V., Fedo-rov V.N., Chizhikov YU.V., Dryn' V.P. [RF patent No. 369860. Equipment cooling device / Voronin G.I., Antonov Yu.V., Fedorov V.N., Chizhikov Yu.V., Drin V.P. (In Russ)]Патент РФ №1755398 Устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры. / Сидорин В.И.Patent RF №1755398 Ustroystvo dlya okhlazhdeniya teplovydelyayushchey apparatury. / Sidorin V.I. [RF patent №1755398 Device for cooling heat-generating equipment. / Sidorin V.I. (In Russ)]Патент РФ №1287699 Устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры. /Абросимов А.И.Patent RF №1287699 Ustroystvo dlya okhlazhdeniya teplovydelyayushchey apparatury. /Abrosimov A.I. [RF patent No. 1287699 A device for cooling fuel equipment. / Abrosimov A.I. (In Russ)]Патент РФ №1595321 Устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры. / Калишин Н.А., Колесников А.А., Максимова М.А., Ульянов Н.А.Patent RF №1595321 Ustroystvo dlya okhlazhdeniya teplovydelyayushchey apparatury. / Kalishin N.A., Kolesnikov A.A., Maksimova M.A., Ul'yanov N.A. [RF patent No. 1595321 A device for cooling heat-generating equipment. / Kalishin N.A., Kolesnikov A.A., [Maksimova M.A., Ulyanov N.A. (In Russ)]Ханов Г. В. Альтернативный способ охлаждения процессоров в компьютере / Г. В. Ханов, Е. Б. Белкина // Экология и жизнь : сб. ст. XVIII междунар. науч.-практ. конф., апрель 2010 г. / Приволжский Дом знаний [и др.]. – Пенза, 2010. – C. 137–139.Khanov G. V. Al'ternativnyy sposob okhlazhdeniya protsessorov v komp'yutere / G. V. Khanov, Ye. B. Belkina // Ekologiya i zhizn' : sb. st. XVIII mezhdunar. nauch.-prakt. konf., aprel' 2010 g. / Privolzh-skiy Dom znaniy [i dr.]. – Penza, 2010. – C. 137–139. [Khanov, G.V. An alternative method of cooling processors in a computer / G.V. Khanov, E. B. Belkina // Ecology and life: collection of books. Art. XVIII international scientific-practical Conf., April 2010 / Volga House of Knowledge [et al.]. Penza, 2010 pp. 137–139. (In Russ)]Разработка и моделирование микроканальных систем охлаждения [Текст]: монография / Д.А. Коновалов, И.Г. Дроздов, Д.П. Шматов, С.В. Дахин, Н.Н. Кожухов //Воронеж: ВГТУ, 2013. – 222 с.Razrabotka i modelirovaniye mikrokanal'nykh sistem okhlazhdeniya [Tekst]: monografiya / D.A. Ko-novalov, I.G. Drozdov, D.P. Shmatov, S.V. Dakhin, N.N. Kozhukhov //Voronezh: VGTU, 2013. – 222 s. [Development and modeling of microchannel cooling systems [Text]: monograph / D.A. Konovalov, I.G. Drozdov, D.P. Shmatov, S.V. Dakhin, N.N. Kozhukhov // Voronezh: VSTU, 2013 . 222 p. (In Russ)]Проектирование и испытания охладителей силовых полупроводниковых приборов [Текст] / C.A. Панфилов, В.М. Каликанов, Ю.А. Фомин, А.С. Саванин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2008. – № 3. – С. 41-43.Proyektirovaniye i ispytaniya okhladiteley silovykh poluprovodnikovykh priborov [Tekst] / C.A. Panfilov, V.M. Kalikanov, YU.A. Fomin, A.S. Savanin // Pribory i sistemy. Upravleniye, kon-trol', diagnostika, 2008. – № 3. – S. 41-43. [Design and testing of power semiconductor device coolers [Text] / C.A. Panfilov, V.M. Kalikanov, Yu.A. Fomin, A.S. Savanin // Devices and Systems. Management, control, diagnostics, 2008. No. 3. pp. 41-43. (In Russ)]Arnaud, L., Ludovic, G., Mouad, D., Hamid, Z., & Vincent, L. (2014). Comparison and Impact of Waste Heat Recovery Technologies on Passenger Car Fuel Consumption in a Normalized Driving Cycle. Energies, 7(8), 5273–5290. doi:10.3390/en7085273Arnaud, L., Ludovic, G., Mouad, D., Hamid, Z., & Vincent, L. (2014). Comparison and Impact of Waste Heat Recovery Technologies on Passenger Car Fuel Consumption in a Normalized Driving Cycle. Ener-gies, 7 (8), 5273- 5290. doi: 10.3390/en7085273Cleary, M. (2014). Nanostructured High Temperature Bulk Thermoelectric Energy Conversion for Efficient Waste Heat Recovery. In 2014 Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting. Washington, DC.: DOE Vehicle Technologies Office. Retrieved from http://energy.gov/sites/prod/files/2014/07/f17/ace082_cleary_2014_o.pdf.Cleary, M. (2014). Nanostructured High Temperature Bulk Thermoelectric Energy Conversion for Efficient Waste Heat Recovery. In 2014 Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting. Washington, DC .: DOE Vehicle Technologies Office. Retrieved from http://energy.gov/sites/prod/files/2014/07/f17/ace082_cleary_2014_o.pdfDas, R. (2013). The Rise of Thermoelectrics. Retrieved February 17, 2014, from Energy Harvesting Journal: http://www.energyharvestingjournal.com/articles/the-rise-of-thermoelectrics-471 00005925.asDas R. (2013). The Rise of Thermoelectrics. Retrieved February 17, 2014, from Energy Harvesting Jour-nal: http://www.energyharvestingjournal.com/articles/the-rise-of-thermoelectrics-47100005925.asHaddad, C., Périlhon, C., Danlos, A., François, M.-X., & Descombes, G. (2014). Some Efficient Solutions to Recover Low and Medium Waste Heat: Competitiveness of the Thermoacoustic Technology. Energy Procedia, 50, 1056–1069. doi:10.1016/j.egypro.2014.06.125Haddad C., Périlhon C., Danlos A., François M.-X., & Descombes, G. (2014). Some Efficient Solutions to Recover Low and Medium Waste Heat: Competitiveness of the Thermoacoustic Technology. Energy Procedia, 50, 1056-1069. doi: 10.1016 / j.egypro.2014.06.125Jovovic, V. (2014). Thermoelectric Waste Heat Recovery Program for Passenger Vehicles. In 2014 Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting. Washington, DC.: DOE Vehicle Technologies Office. Retrieved from http://energy.gov/sites/prod/files/2014/07/f17/ace080_barnhart_2014_o.pdfJovovic V. (2014). Thermoelectric Waste Heat Recovery Program for Passenger Vehicles. In 2014 Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting. Washington, DC.: DOE Vehicle Technologies Office. Retrieved from http://energy.gov/sites/prod/files/2014/07/f17/ace080_barnhart_2014_o.pdfChen, G.; Dresselhaus, M.S.; Esfarjani, K.; Ren, Z.F.; Zebarjadi. M. Perspectives on thermoelectrics: From fundamentals to device applications. Energy Environ. Sci. 2012.Chen G .; Dresselhaus, M.S .; Esfarjani, K .; Ren, Z.F .; Zebarjadi. M. Perspectives on thermoelectrics: From fundamentals to device applications. Energy Environ. Sci. 2012.Hadjistassou, C.; Kyriakides, E.; Georgiou, J. Designing high efficiency segmented thermoelectric generators. Energy Convers. Manag. 2013, 66, pp.165–172.Hadjistassou C .; Kyriakides, E .; Georgiou, J. Designing high efficiency segmented thermoelectric genera-tors. Energy Convers. Manag. 2013, 66, 165-172.Apertet, Y.; Ouerdane, H.; Goupil, C.; Lecoeur, Ph. Efficiency at maximum power of thermally coupled heat engines. Phys. Rev. E 2012, 85, 041144.Apertet Y .; Ouerdane, H .; Goupil, C .; Lecoeur, Ph. Efficiency at maximum power of thermally coupled heat engines. Phys. Rev. E 2012, 85, 041144.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.