Расчетная модель термоэлектрической системы для охлаждения дискретных полупроводниковых приборов

Цель. Целью исследования является разработка расчетной модели термоэлектрической системы (ТЭС) для охлаждения дискретных полупроводниковых приборов (ДПП), реализованной в пакете прикладных программ Elcut, и проведение соответствующего численного эксперимента по ней.

Метод. Разработан новый тип системы охлаждения ДПП, в котором используется несколько секций ТЭМ, обеспечивающих теплосъем, как с нижней, так и с верхней поверхности тепловыделяющих элементов, что увеличивает поверхность теплообмена между источником холода и элементом РЭА и повышает эффективность теплосъема. Методом конечных элементов построена расчетная модель данной системы на основе решения задачи теплопроводности для многоэлементной конструкции сложной конфигурации, каждая составляющая которой характеризуется тепло- и электрофизическими параметрами.

Результат. Проведен численный эксперимент по расчетной модели. В результате него получены результаты численного эксперимента в виде трехмерной картины температурного поля системы ДПП - ТЭС при выходе ее на стационарный режим, а также графиков изменения во времени температуры в центре дискретных полупроводниковых приборов при различных величинах холодопроизводительности термоэлектрического модуля.

Вывод. В результате численного эксперимента установлено, что предложенная конструкция охлаждающей ТЭС в полной мере позволяет решить задачу обеспечения требуемого температурного режима ДПП в диапазоне его мощностей до 75 Вт. При этом использование секций термоэлектрических модулей из идентичных по своим геометрическим, электро- и теплофизическим характеристикам термоэлементов позволяет повысить технологичность создания устройства, а также обеспечить его работу в оптимальных токовых режимах. 

1. Камышная Э.Н. Конструкторско-технологические расчеты электронной аппаратуры / Э.Н. Камышная, В.В. Маркелов, В.А. Соловьев. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. - 165 с.

2. Кудрявцева Н.С. Основы проектирования эффективных систем терморегулирования космических аппаратов / Н.С. Кудрявцева. - М.: МАИ, 2012. - 226 с.

3. Черепанов В.П. Защита радиоэлектронной аппаратуры от перегрузок / В.П. Черепанов, Е.И. Посысаев. - М.: РадиоСофт, 2015. - 216 с.

4. Коновалов Д.А. Современные подходы к разработке и созданию элементов систем тепловой защиты радиоэлектронных компонентов Д.А. Коновалов, И.Н. Лазаренко, И.Г. Дроздов, Д.П. Шматов // Вестник ВГТУ. - 2014. - Т. 10. - №. 1. - С. 97-104.

5. Dai Jun. Optimum cooling of data centers / Jun Dai, Michael M. Ohadi, [et al.]. - New York: Springer-Verlag, 2014. - 186 p.

6. Shabany Y. Heat transfer: thermal management of electronics / Y. Shabany. - Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2010. - 471 p.

7. Меркульев А. Ю. Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий / А. Ю. Меркульев, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Молодой ученый. - 2013. - № 11 (58). - С. 143-145.

8. Андреев П.Г. Защита радиоэлектронных средств от внешних воздействий / П.Г. Андреев, И.Ю. Наумова. - Пенза: ПГУ, 2012. - 130 с.

9. Устройство для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, работающих в режиме повторнократковременных тепловыделений // Патент РФ № 2314663. 2008. Бюл. № 1. / Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Вердиев М.Г., Менафов А.М.

10. Термоэлектрическая батарея//Патент РФ № 2338300. 2008. Бюл. № 31. / Исмаилов Т.А., Вердиев М.Г., Евдулов О.В.

11. Васильев Е.Н. Расчет и оптимизация режимов термоэлектрического охлаждения теплонагруженных элементов / Е.Н. Васильев//Журнал технической физики. - 2017. -Т.87, № 1. - С. 80-86.

12. Евдулов О.В. Экспериментальные исследования системы охлаждения электронных плат / О.В. Евдулов, А.М. Хайбулаев//Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - Махачкала: ДГТУ. - 2022. - Т. 49, №1. - С. 6-13.

13. Васильев Е.Н. Термоэлектрическое охлаждение теплонагруженных элементов электроники / Е.Н. Васильев // Микроэлектроника. - 2020. - Т. 49, № 2. - С. 133-141.

14. Евдулов О.В. Модель системы неравномерного охлаждения электронных плат / О.В. Евдулов, Д.В. Евдулов // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - 2016. - Т. 41, №2 - С. 61-67.

15. Ибрагимова А.М., Евдулов О.В. Термоэлектрические полупроводниковые устройства для отвода теплоты от элементов РЭА // Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке: статья в сборнике научных трудов X Международной научно-технической конференции (Санкт-Петербург, 27-29 окт. 2021 г.). СПб., 2021. С.12-15.

16. Исмаилов Т.А. Моделирование процессов теплообмена в термоэлектрическом устройстве для охлаждения электронной аппаратуры / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2002. - № 7. - С. 59-62.

17. Александров А.А. Теплотехника. / А.А. Александров, А.М. Архаров, И.А. Архаров, [и др.]. - М: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. - 880 с.

18. Теория тепломассообмена / Под. ред. А.И. Леонтьева. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. - 464 с.

19. Bergman T.L. Fundamentals of heat and mass transfer / T.L. Bergman, A.S. Lavine, F.P. Incropera, D.P. Dewitt. - New York: John Wiley  Sons, 2011. - 1076 p.

20. https://elcut.ru (дата доступа 19.05.2022).

21. http://kryotherm.spb.ru (дата доступа 19.05.2022).