Thermal control of thermoelectric cooling devices of transmission and receiving elements of on-board information systems

Abstract

The work is a continuation of studies of the dynamic characteristics of thermoelectric coolers aimed at analyzing the influence of temperature differences, current operating modes, design parameters of the device and physical parameters of the material of thermoelements for a time constant. The article analyzes the effect of the heat sink capacity of the radiator on the dynamic characteristics, energy and reliability indicators of a single-stage thermoelectric cooler. A dynamic model of a thermoelectric cooler has been developed taking into account the weight and size parameters of the radiator, which relate the main energy indicators of the cooler with the heat removal capacity of the radiator, operating currents, the value of the heat load and the relative temperature difference. The analysis of the dynamic model shows that with an increase in the heat-removing capacity of the radiator at a given thermal load and various current modes, the main parameters of the cooler change. The required number of thermoelements, power consumption, time to reach a stationary mode, and relative failure rate are reduced. With an increase in the relative operating current, the time to reach the stationary mode of operation decreases for different values of the heat sink capacity of the radiator. It is shown that the minimum time to reach the stationary operating mode is provided in the maximum refrigerating capacity mode. The studies were carried out at different values of the heat sink capacity of the radiator in the operating range of temperature drops and the geometry of thermoelements. The possibility of minimizing the heat-dissipating surface of the radiator at various current operating modes and the relationship with the main parameters, reliability indicators and the time to reach the stationary operating mode are shown. Comparative analysis of weight and size characteristics, main parameters, reliability indicators and dynamics of functioning with rational design makes it possible to choose compromise solutions, taking into account the weight of each of the limiting factors.

Визначальними вимогами до систем забезпечення теплових режимів приймально-передаючих елементів бортових інформаційних систем являються показники надійності і динамічні характеристики. Робота представляє собою продовження досліджень динамічних характеристик термоелектричних охолоджувачів, направлених на аналіз впливу перепадів температури, струмових режимів, конструктивних параметрів пристрою і фізичних параметрів матеріалу термоелементів на сталу часу. В статті проаналізовано вплив тепловідвідної спроможності радіатору на динамічні характеристики, енергетичні і показники надійності однокаскадного термоелектричного охолоджувача. Розроблена динамічна модель термоелектричного охолоджувача з урахуванням масогабаритних параметрів радіатору, які зв’язують основні енергетичні показники охолоджувача з тепловідвідною спроможністю радіатору, робочими струмами, величиною теплового навантаження і відносним перепадом температур. Аналіз динамічної моделі показав, що з ростом тепловідвідної спроможності радіатору при заданому тепловому навантаженні і різних струмових режимах змінюються основні показники охолоджувача. Зменшується необхідна кількість термоелементів, споживана потужність, час виходу на стаціонарний режим, відносна інтенсивність відмов. З ростом відносного робочого струму час виходу на стаціонарний режим роботи зменшується для різних значень тепловідвідної спроможності радіатору. Показано, що мінімальний час виходу на стаціонарний режим роботи забезпечується в режимі максимальної холодопродуктивності. Дослідження проведені при різних значеннях тепловідвідної спроможності радіатору в робочому діапазоні перепадів температур і геометрії термоелементів. Показана можливість мінімізації тепловідвідної поверхні радіатору при різних струмових режимах роботи і зв'язок з основними параметрами, показниками надійності і часом виходу на стаціонарний режим роботи. Порівняльний аналіз масогабаритних характеристик, основних параметрів, показників надійності і динаміки функціонування при раціональному проектування дає можливість вибору компромісних рішень з урахуванням значущості кожного з обмежувальних факторів.

Определяющими требованиями к системам обеспечения тепловых режимов приемо-передающих элементов бортовых информационных систем являются показатели надежности и динамические характеристики. Работа представляет собой продолжение исследований динамических характеристик термоэлектрических охладителей, направленных на анализ влияния перепадов температуры, токовых режимов работы, конструктивных параметров устройства и физических параметров материала термоэлементов на постоянную времени. В статье проанализировано влияние теплоотводящей способности радиатора на динамические характеристики, энергетические и надежностные показатели однокаскадного термоэлектрического охладителя. Разработана динамическая модель термоэлектрического охладителя с учетом массогабаритных параметров радиатора, которые связывают основные энергетические показатели охладителя с теплоотводящей способностью радиатора, рабочими токами, величиной тепловой нагрузкой и относительным перепадом температур. Анализ динамической модели показывает, что с ростом теплоотводящей способности радиатора при заданной тепловой нагрузке и различных токовых режимах изменяются основные показатели охладителя. Уменьшается необходимое количество термоэлементов, потребляемая мощность, время выхода на стационарный режим, относительная интенсивность отказов. С ростом относительного рабочего тока время выхода на стационарный режим работы уменьшается для различных значений теплоотводящей способности радиатора. Показано, что минимальное время выхода на стационарный режим работы обеспечивается в режиме максимальной холодопроизводительности. Исследования проведены при различных значениях теплоотводящей способности радиатора в рабочем диапазоне перепадов температур и геометрии термоэлементов. Показана возможность минимизации теплоотводящей поверхности радиатора при различных токовых режимах работы и связь с основными параметрами, показателями надежности и временем выхода на стационарный режим работы. Сравнительный анализ массогабаритных характеристик, основных параметров, показателей надежности и динамики функционирования при рациональном проектировании дает возможность выбора компромиссных решений с учетом весомости каждого из ограничительных факторов.