Расчет эффективности термоэлектрических модулей для охлаждения радиоэлектронных элементов

потерь, которые составляли величину Lmm ~ 0,3 дБ на центральной частоте полосы пропускания /0 ~ 1,88 ГГц.

Конструктивные параметры прямоугольной рамки были следующими: длина и ширина полосковых проводников 3, протяженных вдоль оси х (см. рис. 1, а), 15,8^4,6 мм и 14,4^0,4 мм соответственно. Симметричные полосковые проводники 4, протяженные вдоль оси у, состоят из двух состыкованных отрезков, имеющих ступенчатое изменение ширины. Длина и ширина первого отрезка 7,4x1,5 мм, второго отрезка 33,3x0,8 мм. Конструктивные параметры полосковых проводников 5: ширина 0,2 мм, длина 27,5 мм, величина зазора до замкнутой прямоугольной рамки составила по оси х: 0,5 мм, а по оси у: 0,2 мм.

Таким образом, разработан микрополосковый по-лосно-пропускающий фильтр на многомодовом резонаторе в форме прямоугольной рамки с высокими частотно-селективными свойствами, обусловленными малыми потерями мощности в полосе пропускания, высокой прямоугольностью склонов полосы пропускания и протяженной высокочастотной полосой заграждения.

Библиографические ссылки

1. Беляев Б. А., Ходенков С. А. Исследование мик-рополоскового фильтра на многомодовых резонаторах // Известия высших учебных заведений. Физика. 2010. Т. 53. № 9/2. С. 161-162.

2. Беляев Б. А., Довбыш И. А., Лексиков А. А., Тюрнев В. В. Частотно-селективные свойства микро-полоскового фильтра на нерегулярных двухмодовых резонаторах // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55, № 6. С. 664-669.

3. Довбыш И. А., Тюрнев В. В. Синтез микропо-лосковых фильтров на двухмодовых резонаторах методом интеллектуальной оптимизации // Известия высших учебных заведений. Физика. 2010. Т. 53. № 9/2. С. 182-187.

4. Пат. 2475900 Российская Федерация. Микрополосковый полосно-пропускающий фильтр / Б. А. Беляев, С. А. Ходенков ; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т им. акад. М. Ф. Решетнева. Заявл. 28.12.2011.

References

1. Beljaev B. A., Hodenkov S. A. Issledovanie mikropoloskovogo fil'tra na mnogomodovyh rezonatorah // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Fizika. 010. T. 53, № 9/2. C. 161-162.

2. Beljaev B. A., Dovbysh I. A., Leksikov A. A., Tjurnev V. V. Chastotno-selektivnye svojstva mikropoloskovogo fil'tra na nereguljarnyh dvuhmodovyh rezonatorah // Radiotehnika i jelektronika. 2010. T. 55, № 6. S. 664-669.

3. Dovbysh I. A., Tjurnev V. V. Sintez mikropoloskovyh fil'trov na dvuhmodovyh rezonatorah metodom intellektual'noj optimizacii // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Fizika. 2010. T. 53, № 9/2. S. 182-187.

4. Pat. 2475900 Rossijskaja Federacija. Mikropo-loskovyj polosno-propuskajushhij fil'tr / B. A. Beljaev, S. A. Hodenkov ; zajavitel' i patentoobladatel' Sibirskij gosudarstvennyj ajerokosmicheskij universitet imeni akademika M. F. Reshetneva. Zajavl. 28.12.2011.

© Беляев Б. А., Ходенков С. А., Мочалов В. В., Храпунова В. В., Ефремова С. В., 2013

УДК 537.32

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Е. Н. Васильев, В. А. Деревянко

Институт вычислительного моделирования СО РАН Россия, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50. E-mail: ven@icm.krasn.ru

Представлены результаты расчета характеристик термоэлектрической системы охлаждения. Получены зависимости эффективности охлаждения от параметров системы теплоотвода, тепловой мощности элемента, характеристик и энергопотребления модуля.

Ключевые слова: термоэлектрический модуль, тепловой режим радиоэлементов, система охлаждения.

CALCULATION OF THERMOELECTRIC MODULES EFFICIENCY FOR COOLING OF RADIO ELECTRONIC COMPONENTS

E. N. Vasiliev, V. A. Derevianko

Institute of Computational Modeling SB RAS 50, Akademgorodok, Krasnoiarsk, 660036, Russia. E-mail: ven@icm. krasn.ru

The results of the calculation of the thermoelectric cooling system characteristics are presented. The dependences of the cooling efficiency on parameters of the heat removing system, radio electronic component thermal power, characteristics and module energy consumption are received.

Keywords: thermoelectric module, heat regime of radio electronic components, cooling system.

Решетневскуе чтения. 2013

В современной электронике все острее становится проблема обеспечения оптимальных температурных режимов радиоэлементов. Увеличение мощности 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. 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. В данной работе проводится анализ зависимости эффективности теп-лоотводящей системы с ТЭМ от этих факторов.

Интегральным параметром, характеризующим эффективность теплопередачи в обычных системах теп-лоотвода, является величина термического сопротивления Я, определяющая температуру элемента в зависимости от мощности тепловыделения Q,

Т = То + ЯQ,

здесь Т, Т0 - значения температуры тепловыделяющего объекта и окружающей среды. Величина Я определяется типом и конструкцией теплоотводящей системы.

Самым простым вариантом теплоотводящей системы является крепление радиоэлемента на стенке металлического основания или корпуса прибора. Термическое сопротивление в этом случае определяется конфигурацией системы, теплопроводностью материала, толщиной стенки и другими параметрами. Расчеты показывают, что для такого варианта тепло-отводящей системы при типичных толщинах стенок (~ 1 мм) сложно добиться значений Я < 1 К/Вт. Термическое сопротивление современных воздушных систем теплоотвода (кулеров) для компьютерных процессоров значительно ниже, обычно они имеют значение Я = 0,3-0,7 К/Вт, лучшие образцы с использованием тепловых трубок достигают Я = 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 системы охлаждения с ТЭМ помимо величины термического сопротивления значительное влияние оказывают рабочие характеристики и режим работы модуля. В такой системе температура охлаждаемого элемента определяется следующей зависимостью:

Т = Т + ЯQ + ЯШ -ДТТэм ,

где Ш - электрическая мощность, потребляемая ТЭМ, АТТЭМ - разность температуры между холодным и горячим спаями модуля, обусловленная эффектом Пельтье. В формуле (2) два последних слагаемых определяют влияние ТЭМ на температуру элемента. Охлаждение элемента обеспечивается за счет разницы температуры ДТТЭМ на спаях ТЭМ, а слагаемое ЯШ, наоборот, приводит к дополнительному температурному перепаду на термическом сопротивлении Я 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 системе охлаждения с ТЭМ между тепловыделяющим элементом и теплоотводящей системой появляется дополнительный тепловой контакт, что приводит к определенному увеличению общего термического сопротивления Я.

Анализ режимов системы охлаждения проводился на основе исследования зависимости температуры радиоэлемента от силы тока I, потребляемой ТЭМ и мощности тепловыделения Q при различных значениях термического сопротивления Я. При проведении расчетов были использованы характеристики серийных ТЭМ «РЕ-287-10-15» (производитель ОАО «НПП ТФП «ОСТЕРМ СПБ») с параметрами: максимальный ток и напряжение 1тах = 3,4 А, итах = 35,5 В, его максимальная холодопроизводительность Q = 75 Вт, перепад температуры ДТТЭМ = 74 К при Q = 0. В общем случае выбор модели ТЭМ определяется тепловой мощностью, габаритами и требованиями к температурному режиму эксплуатации радиоэлемента.

При разработке и эксплуатации термоэлектрической системы охлаждения важным вопросом является выбор оптимального рабочего режима ТЭМ. Управление режимами работы модуля осуществляется путем изменения силы тока (или напряжения) электропитания. Обычно производители рекомендуют номинальный режим работы ТЭМ при значении I = (0,75^0,8)/тах. Однако, как следует из соотношения (2), при выборе оптимального режима и силы тока питания ТЭМ необходимо учитывать тепловую нагрузку и параметры системы теплоотвода. Для анализа режимов рассмотрим влияние силы тока I на эффективность охлаждения элемента при заданных значениях мощности тепловыделяющего элемента Q и термического сопротивления Я. На рис. 1 сплошными линиями приведены зависимости температуры элемента Т(1) для трех значений термического сопротивления Я = 0,1 К/Вт, 0,3 К/Вт и 0,5 К/Вт при значениях Q = 30 Вт и Т0 = 20 оС. Штриховыми линиями на рис. 1 отмечены температурные уровни для обычной системы теплоотвода (без ТЭМ), рассчитанные по формуле (1) для таких же значений Я. Минимумы на кривых Т(1) соответствуют режимам с максимальной эффективностью системы охлаждения, при которых достигается наименьшая температура элемента. При значениях Я = 0,1 и 0,3 К/Вт термоэлектрическая система охлаждения эффективнее обычной системы теп-лоотвода во всем диапазоне значений I. Для Я = 0,5 К/Вт использование ТЭМ при значениях силы

04/

0.5

^^ 0 3 .

------ 0.1

^--- 0.1

1.5 2 2.5 3

I, А

Рис. 1. Зависимости Т(1) при Q = 30 Вт

тока I < 2,8 А также позволяет снизить температуру элемента. При более высоких значениях силы тока (I > 2,8 А) термоэлектрическая система, наоборот, приводит к росту температуры элемента. Это объясняется тем, что при увеличении силы тока собственное тепловыделение модуля Ш дает на термическом сопротивлении Я дополнительный перепад температуры больший, чем величина ДТТЭм. Зависимости Т(1) для Q = 50 Вт приведены на рис. 2. Из относительного расположения кривых Т(1) для термоэлектрической системы и уровней, соответствующих обычной системе теплоотвода, следует, что применение ТЭМ обеспечивает охлаждение элемента только при Я = 0,1 К/Вт, при значениях Я = 0,3 и 0,5 К/Вт температура элемента становится выше во всем диапазоне значений I. В данном случае общее снижение эффективности системы охлаждения обусловлено уменьшением величины ДТТЭМ при увеличении холодопроиз-водительности модуля. Из результатов расчетов режимов работы термоэлектрической системы охлаждения можно сделать следующие выводы:

0 — : —---—------

2 2,2 2,4 2.6 2.8 3 3.2 3.4

I, А

Рис. 2. Зависимости Т(1) при Q = 50 Вт

1. Возможности использования ТЭМ для охлаждения радиоэлементов 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 элемента и энергопотребление ТЭМ.

2. Эффективность использования ТЭМ снижается при увеличении тепловой мощности элемента Q и термического сопротивления системы теплоотвода Я.

3. Положительный эффект от применения ТЭМ в системе охлаждения возможен в определенных диапазонах значений Q и Я. Каждому набору Q и Я из этих диапазонов соответствует оптимальное значение силы тока питания ТЭМ, при котором эффективность охлаждения является максимальной.

© Васильев Е. Н., Деревянко В. А., 2013

621.315.2.016.2

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СИЛОВЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ ШИН BUS BAR

НА КА ОАО «ИСС»

М. В. Гаврюшов, С. В. Ефремов

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52. E-mail: italynec@mail.ru

Обзорная статья о современной технологии силовых алюминиевых шин Bus bar, применяемой в системе электропитания космических аппаратов. Показаны различные виды конструкций данной шины и проведен анализ внедрения шины Bus bar на космические аппараты ОАО «ИСС».

Ключевые слова: кабель, силовая шина, алюминиевая шина, Bus bar, СЭП.