Method for increasing the dynamic characteristics of thermoelectric coolers

Abstract

The influence of the efficiency of the initial thermoelectric materials on the dynamics of the functioning of the thermoelectric cooling device for various characteristic current modes of operation in the range of operating temperature drops and heat load at a given geometry of thermoelement legs is considered. The parameters of thermoelectric materials of thermoelements are conventionally divided into three groups: used for batch production, laboratory research and maximum values. The criterion for choosing the operating mode of the thermoelectric cooler takes into account the mutual influence and weight of each of the limiting factors. Since the design conditions can be very diverse, simultaneously varying several limiting factors (constructive, energy and reliability), you can choose the most rational mode of operation. The analysis was carried out for typical current modes of operation of thermoelectric coolers: maximum cooling capacity, maximum cooling capacity at a given current, maximum coefficient of performance, minimum failure rate. It is shown that with an increase in the efficiency of the initial thermoelectric materials, the time for reaching the stationary operating mode of the thermoelectric cooler, the required number of thermoelements, and the maximum temperature difference increase. A method is proposed for reducing the time constant of thermoelectric coolers due to the revealed relationship between the efficiency of thermoelectric materials and the dynamic characteristics of thermoelements. It is shown that an increase in the dynamic characteristics of thermoelectric coolers is achieved without changing the design documentation, manufacturing technology and additional climatic and mechanical testing of products.

Розглянуто вплив ефективності первинних термоелектричних матеріалів на динаміку функціонування термоелектричного охолоджуючого пристрою для різних характерних струмових режимів роботи у діапазоні робочих перепадів температур і теплового навантаження при заданій геометрії гілок термоелементів. Параметри термоелектричних матеріалів умовно розділені на три групи: які використаються для серійного виробництва, лабораторних досліджень і максимальні значення. Критерії вибору режиму роботи термоелектричного охолоджувача враховує взаємний вплив і вагомість кожного з обмежувальних факторів. Оскільки умови проектування можуть бути вельми різнорідними, змінюючи одночасно декількома обмежуючими факторами (конструктивними, енергетичними і надійності) можна вибрати найбільш раціональний режим роботи. Аналіз проведено для типових струмових режимів функціонування термоелектричних охолоджувачів: максимальної холодопродуктивності, максимальної холодопродуктивності при заданому струмі, максимального холодильного коефіцієнту, мінімальної інтенсивності відмов. Показано, що з ростом ефективності первинних термоелектричних матеріалів зменшується час виходу на стаціонарний режим роботи термоелектричного охолоджувача, необхідна кількість термоелементів і зростає максимальний перепад температур. Запропоновано спосіб зниження постійної часу термоелектричних охолоджувачів за рахунок виявленого зв’язку ефективності термоелектричних матеріалів з динамічними характеристиками термоелементів. Показано, що підвищення динамічних характеристик термоелектричних охолоджувачів досягається без зміни проектної документації, технології виготовлення і додаткового проведення кліматичних і механічних випробування виробів.