vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2020-47-4-81-91vdgtu-879Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER, METALLURGICAL AND CHEMICAL MECHANICAL ENGINEERINGМодель системы охлаждения электронной аппаратуры на основе совместного использования сильноточных термоэлектрических полупроводниковых батарей и теплового термосифонаModel of an electronic equipment cooling system based on the joint use of high-current thermoelectric semiconductor batteries and a thermal thermosiphoСулинА. Б.SulinA. B.

Сулин Александр Борисович, доктор технических наук, профессор факультета низкотемпературной энергетики

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, лит. А

Alexander B. Sulin, Dr. Sci.(Technical), Prof., Faculty of Low-Temperature Energy

49 Kronverksky Ave., bldg. A, Saint Petersburg 197101

miconta@rambler.ruЕвдуловД. В.EvdulovD. V.

Евдулов Денис Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры теоретической и общей электротехники

367026, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, д. 70

Denis V. Evdulov, Cand. Sci. (Technical), Senior Lecturer,Department of Theoretical and General Electrical Engineering

70 Shamilya Ave., Makhachkala 367026

+79634051239@yandex.ruИбрагимоваА. М.IbragimovaA. M.

Ибрагимова Асият Магомедовна, соискатель кафедры теоретической и общей электротехники

367026, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, д. 70

 

 

Asiyat M. Ibragimova, Applicant, Department of Theoretical and General Electrical Engineering

70 Shamilya Ave., Makhachkala 367026

ibrasya@mail.ruСемилякА. И.SemilyakA. I.

Cемиляк Александр Иванович, старший преподаватель кафедры теоретической и общей электротехники

367026, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, д. 70

Alexander I. Semilyak, Senior Lecturer, Department of Theoretical and General Electrical Engineering

70 Shamilya Ave., Makhachkala 367026

asemilyak@mail.ruНациональный исследовательский университет ИТМОРоссияITMO National Research UniversityRussian FederationДагестанский государственный технический университетРоссияDaghestan State Technical UniversityRussian Federation2020200120214748191Copyright © Сулин А.Б., Евдулов Д.В., Ибрагимова А.М., Семиляк А.И., 20212021Сулин А.Б., Евдулов Д.В., Ибрагимова А.М., Семиляк А.И.Sulin A.B., Evdulov D.V., Ibragimova A.M., Semilyak A.I.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/879Цель

Цель. Целью исследования является разработка расчетной модели системы охлаждения электронной аппаратуры, основанной на комбинированном использовании сильноточных термоэлектрических полупроводниковых батарей (ТЭБ) слоистого исполнения и испарительно-конденсационного теплового термосифона, а также исследование теплофизических процессов происходящих при ее работе.

Метод

Метод. Приведена математическая модель системы охлаждения электронной аппаратуры, основанная на комбинированном использовании сильноточных ТЭБ слоистого исполнения и испарительно-конденсационного теплового термосифона. Расчетная модель включает в себя описание процессов теплообмена в термоэлементе (ТЭ) слоистого исполнения при различных токах питания, определение количества теплоты переносимое через сечение канала теплового термосифона за единицу времени и значения температуры в каждой точке канала.

Результат

Результат. Решена двумерная нестационарная задача теплопроводности для сложной системы с прямоугольной геометрией фрагментов и источников теплоты. Исследовано распределение температуры термоэлемента вдоль его продольной оси при различной величине тока питания, изменение теплового потока по длине теплового потока в тепловом испарительно-конденсационном термосифоне.

Вывод

Вывод. Результаты исследований показали эффективность комбинированного использования сильноточных ТЭБ слоистого исполнения и теплового термосифона в электронной аппаратуре с плотной упаковкой элементов. Показано, что увеличить эффективность работы электронной аппаратуры и уменьшить тепловые потери, возникающие в теплопроводе при сопряжении тепловыделяющего элемента радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и термоэлектрических полупроводниковых батарей удаленных друг от друга на достаточно большое расстояние (свыше 0,6 м), целесообразным является использование в качестве теплопровода, испарительноконденсационного теплового термосифона.

Objective

Objective. The objective of the study is to develop a design model of the electronic equipment cooling system based on the combined use of high-current thermoelectric semiconductor batteries of layered design and an evaporative-condensing thermal thermosyphon, as well as to study the thermophysical processes occurring during its operation.

Methods

Methods. A mathematical model of the electronic equipment cooling system based on the combined use of high-current layered thermoelectric batteries and an evaporative-condensing thermal thermosyphon is presented. The design model includes a description of heat exchange processes in a layered thermoelectric element at various supply currents, determination of the amount of heat transferred through the cross-section of the channel of a thermal thermosyphon per unit of time, and the temperature values at each channel point.

Result

Result. A 2D dynamic heat conduction problem is solved for a complex system with rectangular geometry of fragments and heat sources. The temperature distribution of a thermoelement along its longitudinal axis at different values of the supply current and the change in the heat flow along its length in a thermal evaporation-condensation thermosyphon are studied.

Conclusion

Conclusion. The results of the research have shown the effectiveness of combined use of high-current layered thermoelectric batteries and a thermal thermosyphon in electronic equipment with dense element packaging. It is shown that to increase the efficiency of electronic equipment and reduce the heat losses that occur in the heat line when the heat-generating element of radio-electronic equipment and thermoelectric semiconductor batteries are separated by a sufficiently large distance (over 0.6 m), it is advisable to use an evaporative-condensing thermal thermosyphon as a heat line.

элемент радиоэлектронной аппаратурытермоэлектрическая полупроводниковая батареятепловой термосифонмодельрасчеттепловой потокэлектронная аппаратураelement of radio-electronic equipmentthermoelectric semiconductor batterythermosiphonmodelcalculationheat flowelectronic equipmentReferencesАнатычук Л.И. Термоэлектричество. Термоэлектрические преобразователи энергии. Киев, Черновцы: Институт термоэлектричества, 2003.Anatychuk L. I. Thermoelectricity. Thermoelectric energy converters. Kiev, Chernivtsi: Institute of thermoelectricity, 2003.Анатычук Л.И. Элементная база термоэлектричества // Доклады IХ Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение». Санкт-Петербург, 2004.Anatychuk L.I. The element base of thermoelectricity // Reports of the IX Interstate Seminar "Thermoelectrics and Their Application". St. Petersburg, 2004. [Anatychuk L. I. Element base of thermoelectricity // Reports of the IX Interstate seminar "Thermoelectrics and their application". Saint Petersburg, 2004. (In Russ)]Анатычук Л.И. О физических моделях термоэлементов // Термоэлектричество. 2003, №1.Anatychuk L. I. on physical models of thermoelements // Thermoelectricity. 2003, No. 1.Булат Л.П. Прикладные исследования и разработки в области термоэлектрического охлаждения в России // Холодильная техника, 2009. № 7.Bulat L.P. Applied research and development in the field of thermoelectric cooling in Russia // Refrigeration technology, 2009. No. 7. [Bulat L. P. Applied research and development in the field of thermoelectric cooling in Russia/Refrigerating equipment, 2009. № 7. (In Russ)]Ssennoga Twaha, Jie Zhu, Yuying An, Bo Li A comprehensive review of thermoelectric technology: Materials, applications, modelling and performance improvement // Renewable and sustainable energy reviews, 2016. No. 65.Ssennoga Twaha, Jie Zhu, Yuying An, Bo Li A comprehensive review of thermoelectric technology: Materials, applications, modelling and performance improvement // Renewable and sustainable energy reviews, 2016. - №65.Патент РФ № 2380787. Термоэлектрическая батарея / Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Евдулов Д.В., 2010.RF Patent No. 2380787. Thermoelectric battery / Ismailov T.A., Evdulov O.V., Evdulov D.V., 2010. [Russian Patent No. 2380787. Thermoelectric battery / Ismailov T. A., Evdulov O. V., Evdulov D. V., 2010. (In Russ)]Патент РФ № 2379790. Термоэлектрическая батарея / Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Евдулов Д.В., 2010.RF patent No. 2379790. Thermoelectric battery / Ismailov T.A., Evdulov O.V., Evdulov D.V., 2010. [Russian Patent no. 2379790. Thermoelectric battery / Ismailov T. A., Evdulov O. V., Evdulov D. V., 2010. (In Russ)]Патент РФ № 2417484. Термоэлектрическая батарея / Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Евдулов Д.В., 2011.RF patent No. 2417484. Thermoelectric battery / Ismailov T.A., Evdulov O.V., Evdulov D.V., 2011. [Russian Patent No. 2417484. Thermoelectric battery / Ismailov T. A., Evdulov O. V., Evdulov D. V., 2011. (In Russ)]Патент РФ № 2338298 . Термоэлектрическая батарея / Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Вердиев М.Г., 2007.RF patent No. 2338298. Thermoelectric battery / Ismailov T.A., Evdulov O.V., Verdiev M.G., 2007. [Russian Patent no. 2338298 . Thermoelectric battery / Ismailov T. A., Evdulov O. V., Verdiev M. G., 2007. (In Russ)]Патент РФ № 2236098 Устройство для термостабилизации элементов РЭА с высоким уровнем тепловыделений / Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Евдулов О.В., Юсуфов Ш.А. // Б.И. № 25, 2004.RF patent No. 2236098 Device for thermal stabilization of electronic equipment elements with a high level of heat release / Ismailov TA, Aminov GI, Evdulov OV, Yusufov Sh.A. // B.I. No. 25, 2004. [Russian Patent no. 2236098 Device for thermal stabilization of REA elements with a high level of heat release / Ismailov T. A., Aminov G. I., Evdulov O. V., Yusufov sh. a. / / B. I. no. 25, 2004. (In Russ)]Евдулов О.В., Евдулов Д.В. Теоретические исследования термоэлектрического элемента слоистой конструкции // Термоэлектричество. 2015. № 2.Evdulov OV, Evdulov D.V. Theoretical studies of a thermoelectric element of a layered structure // Thermoelectricity. 2015. No. 2. [Evdulov O. V., Evdulov D. V. Theoretical studies of the thermoelectric element of a layered structure / / thermoelectricity. 2015. № 2..(In Russ)]Патент РФ № 2314663 . Устройство для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений / Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Вердиев М.Г., Менафов А.М., 2005.RF patent No. 2314663. A device for cooling elements of radio electronic equipment operating in the mode of intermittent heat release / Ismailov T.A., Evdulov O.V., Verdiev M.G., Menafov A.M., 2005 [Russian Patent no. 2314663 . Device for cooling elements of radio-electronic equipment operating in the mode of repeated short-term heat release / Ismailov T. A., Evdulov O. V., Verdiev M. G., Menafov a.m., 2005. (In Russ)]Патент РФ № 2180161 . Устройство для термостабилизации элементов радиоэлектронной аппаратуры с высокими тепловыделениями/ Евдулов О.В., Исмаилов Т.А., Юсуфов Ш.А., Аминов Г.И., 2000.RF patent No. 2180161. A device for thermal stabilization of elements of radio electronic equipment with high heat release / Evdulov O.V., Ismailov T.A., Yusufov Sh.A., Aminov G.I., 2000. [Russian Patent No. 2180161 . Device for thermal stabilization of radio electronic equipment elements with high heat emissions/ Evdulov O. V., Ismailov T. A., Yusufov Sh. A., Aminov G. I., 2000. (In Russ)]Korzhuev M. A., Avilov E. S., Nichezina I. Yu. Non-standard Harman response at the separate measurement of stages of multicascade thermoelectric modules // JEMS. 2011. Vol. 40, №5.Korzhuev M. A., Avilov E. S., Nichezina I. Yu. Non-standard Harman response at the separate measurement of stages of multicascade thermoelectric modules //JEMS. 2011. V. 40, No. 5.Yagov V.V. Possible mechanisms of high-intensity heat transfer in cooling of high temperature surfaces // Materials IX International seminar «Heat pipes, heat pumps, refrigeration, power sources». Minsk. 2015.Yagov V.V. Possible mechanisms of high-intensity heat transfer in cooling of high temperature surfaces // Materials IX International seminar «Heat pipes, heat pumps, refrigeration, power sources». Minsk. 2015.Дульнев Г.Н. Теория тепло- и массообмена. СПб.: СПбНИУИТМО. 2012.Dulnev G.N. Theory of heat and mass transfer. SPb .: SPbNIUITMO. 2012. [Dulnev G. N. Theory of heat and mass transfer. Saint Petersburg: Spbniuitmo, 2012. (In Russ)]Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Евдулов Д.В. Математическая модель холодильной установки на базе слоистых ТЭБ с тепловыми термосифонами. // Ползуновский вестник. №2, 2010.Ismailov T.A., Evdulov O.V., Evdulov D.V. Mathematical model of a refrigeration unit based on laminated thermopile with thermal thermosyphons. // Polzunovsky Bulletin. No. 2, 2010. [Ismailov T. A., Evdulov O. V., Evdulov D. V. Mathematical model of a refrigeration unit based on layered TEB with thermal thermosiphons. // Polzunovskii journal No. 2, 2010. (In Russ)]Исмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. СПб.: Политехника, 2005.Ismailov T.A. Thermoelectric semiconductor devices and heat transfer intensifiers. Saint Petersburg: Polytechnic, 2005. [Ismailov T. A. Thermoelectric semiconductor devices and heat transfer intensifiers. Saint Petersburg: Politechnika, 2005. (In Russ)]Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Юсуфов Ш.А., Аминов Г.И., Термостабилизирующие устройства для радиоэлектронной аппаратуры // Вестник Международной академии холода, № 3, 2002.Ismailov T.A., Evdulov O.V., Yusufov Sh.A., Aminov G.I., Thermal stabilizing devices for electronic equipment // Bulletin of the International Academy of Cold, No. 3, 2002. [Ismailov T. A., Evdulov O. V., Yusufov S. A., Aminov, I., Thermostabilizers devices for electronic equipment // Vestnik of International Academy of refrigeration, No. 3, 2002. (In Russ)]Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Махмудова М.М., Евдулов Д.В. Исследование системы охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2008. №5.Ismailov T.A., Evdulov O.V., Makhmudova M.M., Evdulov D.V. Investigation of the cooling system of the elements of radioelectronic equipment operating in the mode of intermittent heat release. Izvestiya of higher educational institutions of Russia. Radio electronics. 2008. No. 5. [Ismailov T. A., Evdulov O. V., Makhmudov M. M., Еvdulov D. V. system Study of cooling elements of electronic equipment working in a mode of intermittent heat//News of higher educational institutions of Russia. Radionics. 2008. №5. (In Russ)]

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