Control of thermal regime of thermoelectric coolers in uniform temperature field

Abstract

The possibility of using a complex of thermoelectric coolers to control the thermal regime of heat-loaded elements of radio electronic equipment, the parameters of which significantly depend on the temperature conditions of operation, is considered. The analysis was carried out for conditions of the same level of cooling of semiconductor elements for typical temperature drops, range of dissipation power, current modes of operation, and geometry of thermoelement legs. It is shown that it is rational to use distributed active cooling systems to ensure the required thermal regime of spatially distributed heat-loaded elements with different dissipation power. To ensure the required thermal conditions, it is proposed to use both individual and group variants of the structure layout: heat-loaded element-thermoelectric cooler-radiator. The developed mathematical models of the relationship between the number of thermoelements and the thermal load, the power consumption with the temperature difference and the operating current are analyzed. Models of the main operational characteristics of coolers that are significant for control systems are presented: the relative failure rate and the time to reach a stationary mode. The results of calculations of the main parameters, reliability indicators and dynamic characteristics for an individual version of the layout of thermoelectric coolers with different dissipation power and current operating modes are presented. The group diagram of the arrangement of the object-cooler with series connection and located on the same heat sink and their comparative analysis is considered. When choosing the current mode, it is necessary to take into account the mutual influence and weight of each of the limiting factors, by varying which, when designing the complex and thermoelectric coolers, it is possible to choose compromise modes of operation.

Розглянута можливість використання комплексу термоелектричних охолоджувачів для забезпечення управління тепловим режимом тепло навантажених елементів радіо електронної апаратури, параметри якої суттєво залежать від температурних умов експлуатації. Аналіз проведено для умов однакового рівня охолодження напівпровідникових елементів для типових перепадів температур, діапазону потужності розсіювання, струмових режимів роботи та геометрії гілок термоелементів. Показано, що для забезпечення необхідного теплового режиму просторово розподілених тепло навантажених елементі з різною потужністю розсіювання раціонально використовувати розподілені системи активного охолодження. Для забезпечення необхідного теплового режиму запропоновано використовувати як індивідуальний, так і груповий варіант компонування структури: тепло навантажений елемент-термоелектричний охолоджувач-радіатор. Проаналізовано розроблені математичні моделі зв'язку кількості термоелементів з тепловим навантаженням, споживаної потужності з перепадом температур та робочим струмом. Представлені моделі основних експлуатаційних характеристик охолоджувачів, значущі для систем управління: відносної інтенсивності відмов та часу виходу на стаціонарний режим. Наведено результати розрахунків основних параметрів, показників надійності та динамічних характеристик при індивідуальному варіанті компонування термоелектричних охолоджувачів з різною потужністю розсіювання та струмових режимах роботи. Розглянуто групову схему компонування об'єкта-охолоджувача при послідовному з'єднанні та розташованих на одному тепловідвідному радіаторі та їх порівняльний аналіз. При виборі струмового режиму необхідно враховувати взаємний вплив та вагомість кожного з обмежувальних факторів, варіюючи якими при проектуванні комплексу та термоелектричних охолоджувачів можна вибрати компромісні режими роботи