Модель взаимосвязи геометрии ветвей термоэлементов и показателей надежности при проектировании двухкаскадных охладителей в режиме минимума интенсивности отказов

Ю. И. Журавлев

Анотація


Рассмотрен конструктивный метод повышения показателей надежности (интенсивности отказов и вероятности безотказной работы) двухкаскадных термоэлектрических охлаждающих устройств в режиме минимума интенсивности отказов. В двухкаскадных охлаждающих устройствах существенно взаимное влияние каскадов, повышение перепада температур, поэтому требуется анализ связи показателей надежности с энергетическими показателями и конструктивными параметрами охладителя. Вероятность безотказной работы охладителя обусловлена, в первую очередь, термоэлектрическими элементами, поскольку их количество значительно, они включены последовательно, а результирующая вероятность безотказной работы определяется произведением вероятностей всех составляющих термоэлементов. Основным параметром термоэлектрического элемента является «геометрия» – отношение высоты термоэлемента к площади его поперечного сечения. Целью исследований явилось повышение показателей надежности двухкаскадного термоэлектрического охлаждающего устройства за счет вариации геометрии термоэлементов и их распределений в каскадах в рабочем диапазоне перепадов температур функционирования охладителя в режиме минимума интенсивности отказов. Для достижения этой цели решены задачи: создание модели связи показателей надежности с конструктивными параметрами и энергетическими показателями охладителя; определение значений показателей надежности термоэлектрического охладителя при различных значениях геометрии термоэлементов,  перепадов температур и тепловой нагрузки. Разработана математическая модель двухкаскадного термоэлектрического охладителя, связывающая показатели надежности с энергетическими показателями и конструктивными параметрами термоэлементов в рабочем диапазоне температур функционирования изделия, обеспечивающая возможность проектирования термоэлектрических охладителей повышенной надежности. Анализ результатов моделирования показал, что при заданном перепаде температур и тепловой нагрузке уменьшение отношения высоты термоэлемента к его поперечному сечению: увеличивается величина максимального рабочего тока в каскадах; уменьшается суммарное количество термоэлементов; уменьшается общее падение напряжения; уменьшается интенсивность отказов и увеличивается вероятность безотказной работы термоэлектрического охладителя. С ростом температуры для различных значений геометрии термоэлементов и заданной тепловой нагрузке: уменьшаются холодильный коэффициент; увеличивается отношение количества термоэлементов в каскадах; увеличивается относительный перепад температуры в каскадах и рабочий ток; увеличивается интенсивность отказов.  Отношение количества термоэлементов в каскадах существенно зависит от перепада температуры с резким возрастанием при больших перепадах температур. Суммарное количество термоэлементов в диапазоне умеренных перепадов температур изменяется незначительно, однако существенно зависит от геометрии ветвей термоэлементов. Зависимость относительной интенсивности отказов от перепада температур имеет явно выраженный нелинейный характер и возрастает в диапазоне высоких температурных перепадов. Практическим результатом исследований явилось то, что для двухкаскадных охладителей с одинаковой геометрией ветвей термоэлементов в каскадах уменьшением отношения высоты термоэлемента к площади поперечного сечения можно в 2—10 раз уменьшить интенсивность отказов и повысить вероятность безотказной работы.


Ключові слова


Интенсивность отказов; Термоэлементы; Каскады; Перепад температуры

Повний текст:

PDF (Russian)

Посилання


Zebarjadi, M., Esfarjani K., Dresselhaus, M. S., Ren, Z. F., Chen, G. (2012). Perspectives on thermoelectrics: from fundamentals to device applications. Energy & Environmental Science, 5, 5147–5162.

Rowe, D. M. (2012). Thermoelectrics and its Energy Harvesting. Materials, Preparation, and Characterization in Thermoelectrics. Boca Raton: CRC Press, 544.

Ping Yang. (2010). Approach on thermoelectricity reliability of board–level backplane based on the orthogonal experiment design. International Journal of Materials and Structural Integrity, 4(2–4), 170–185.

Jurgensmeyer, A. L. (2011). High Efficiency Thermoelectric Devices Fabricated Using Quantum Well Confinement Techniques. Colorado State University, 54.

Wereszczak A. A., Wang H. Thermoelectric Mechanical Reliability. Vehicle Technologies Annual Merit Reviewand Peer Evaluation Meeting. – Arlington, 18.

Melcor Thermoelectric Cooler Reliability Report. (2002). Melcor Corporation, April 9th., 36.

Tsarev, A.V., Chugunkov, V.V. (2008). Investigation of thermoelectric devices characteristics for temperature control systems launch facilities. Actual problems of Russian cosmonautics: Materials of XXXII Academic Conference on Astronautics. – M.: The Board of RAS, 320–321.

Hyoung–Seuk Choi. (2011). Prediction of reliability on thermoelectric module through accelerated life test and Physics–of–failure. Electronic Materials Letter, 7, 271.

Zaykov V., Mescheryakov V., Zhuravlov Yu. (2017). Analysis of the model of interdependence of thermoelement branch geometry and reliability indicators of the single–stage cooler. Eastern–European Journal of Enterprise Technologies, 1/1 (85), 26–33.

Zaykov V., Mescheryakov V., Zhuravlov Yu. (2016). Prediction of reliability on thermoelectric cooling devices. Book 2. Cascade devices. Odessa: Politehperiodika, 124.




DOI: http://dx.doi.org/10.15673/ret.v53i4.710

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.