Preview

Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники

Расширенный поиск

Сравнительный анализ энергетических характеристик однокаскадных и многокаскадных термоэлектрических модулей

https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202504.644

Аннотация

В статье представлено теоретическое и экспериментальное исследование холодильного коэффициента термоэлектрических модулей, работающих в оптимальном рабочем режиме, т.е. имеющих максимально возможный холодильный коэффициент при требуемых холодопроизводительности и разности температур модуля. Были рассмотрены одно- и многокаскадные термоэлектрические модули, работающие в широком диапазоне разности температур. Показано, что для любой разности температур холодильный коэффициент оптимального многокаскадного термоэлектрического модуля превышает холодильный коэффициент оптимального модуля с меньшим числом каскадов. Стоит отметить, что это оказывается справедливым и для сравнительно малых разностей температур, для которых многокаскадные решения обычно не принимаются во внимание. Аналитические расчеты были сделаны без учета температурных потерь на теплопереходах, тепла Джоуля, выделяющегося на коммутации, а также температурных зависимостей термоэлектрических параметров. Однако при расчете реальных модулей все эти характеристики учитывались численно при помощи метода последовательных приближений. Результаты расчета показывают, что в области разности температур ΔT >50 K двухкаскадные модули более эффективны, чем однокаскадные. И чем ближе значение перепада температур ΔT к максимальному для однокаскадного модуля, тем существеннее становится разница в холодильном коэффициенте. Аналогичная картина наблюдается при сравнении двух- и трехкаскадных охладителей. При разности температур ΔT >70 K трехкаскадные модули имеют очевидное преимущество перед двухкаскадными. Проведено сравнение численных расчетов и данных измерений холодильных коэффициентов оптимальных двухкаскадного и однокаскадного охладителей при разности температур 50 К. Данные эксперимента находятся в хорошем согласии с расчетами. Результаты работы можно использовать при проектировании и оптимизации термоэлектрических модулей в реальных практических задачах с требуемыми ограничениями электрического потребления системы охлаждения.

Об авторах

М. Г. Лаврентьев
ООО «РМТ»
Россия

Михаил Геннадьевич Лаврентьев



М. П. Волков
ООО «РМТ»
Россия

Михаил Петрович Волков



Д. В. Воробьев
ООО "РМТ"
Россия

Дмитрий Владимирович Воробьев



И. А. Драбкин
ООО "РМТ"
Россия

Игорь Абрамович Драбкин



Л. Б. Ершова
ООО "РМТ"
Россия

Любовь Борисовна Ершова



Список литературы

1. R. Marlow, E. Burke. Module Design and Fabrication. CRC Handbook of Thermoelectrics. Ed. by D.M. Rowe. London: CRC Press. 1995; 597-607.

2. А.И. Бурштейн. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств. М.:Государственное издательство физико-математической литературы. 1962; 135 c.

3. Э.M. Лукишкер, A.Л. Вайнер, M.H. Сомкин, В.Ю. Водолагин. Термоэлектрические охладители. Москва: Радио и связь. 1983; 176 с.

4. Е.А. Коленко. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Ленинград: Наука. 1967; 280 с.

5. V.A. Semenyuk. Miniature Thermoelectric Modules with Increased Cooling Power. Proceedings ICT'06 - 25th International Conference on Thermoelectrics. 2006; 322-326. doi: 10.1109/ICT.2006.331216

6. González A., Del Río Valdês J.L., Fragoso O.A., Logvinov G. Minimal Cooling Temperature in Single-Stage Thermoelectric Modules. Revista Mexicana de Fisica. 2007; 53(7): 189-193.

7. A.Л. Вайнер. Каскадные термоэлектрические источники холода. Москва: Советское радио. 1976; 137 с.

8. Galperin V.L. A Generalized Procedure to Study Multistage Thermoelectric Cooler Operated in the Regime of Maximum Energy Efficiency. Proc. XIV International Conference on Thermoelectrics. 1995; 442-445.

9. N.V. Kukhar. On Requirements for a Maximum Coefficient of Performance in a Multistage Thermoelectric Cooler. Kiev: Naukova Dumka. 1982; 124-128.

10. C.L. Feldman, Sh.F. Martin, W.A. Meconty. Optimization of Cascaded Peltier Cooler. ASHRAE. 1965; 7(4): 78-81.

11. S.B. Riffat, Xiaoli Ma. Improving the coefficient of performance of thermoelectric cooling systems: A review. International Journal of Energy Research. 2004; 28(9): 753-768. doi:10.1002/er.991

12. M.G. Lavrentev, I.A. Drabkin, L.B. Ershova, M.P. Volkov. Improved Extruded Thermoelectric Materials. Journal of Electronic Materials. 2020; 49: 2937-2942. doi: 10.1007/s11664-020-07988-0

13. Igor Drabkin. Optimization of Thermoelectric Cooling and Generator Batteries. LAP LAMBERT Academic Publishing. 2017; 60 p.

14. Zhang X., Zhao L.-D. Thermoelectric materials: Energy conversion between heat and electricity. Journal of Materiomics. 2015; 1: 92-105. doi:10.1016/j.jmat.2015.01.001

15. V.A.Barabash, S.A.Glyazer, G.G.Gromov, I.A.Drabkin, L.B.Ershova, S.A.Molchanova. Matching of p-n Extruded Materials Based in Bi-Sb Chalcogenides for Thermoelements. Superficies y Vacío. 2014; 27(2): 74-78.

16. И.А. Драбкин. Влияние различия в свойствах ветвей на эффективность работы термобатарей. Доклады V Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применения». СПб: ФТИ. 1997; 128-131.

17. В.П. Бабин, Э.А. Изупак, Е.К. Иорданашвили. Термоэлектрическая добротность охлаждающих термоэлементов с учетом температурной зависимости физических параметров их ветвей. Физика и техника полупроводников. 1977; 11 (4): 726-729.

18. R.J. Buist. Calculation of Peltier Device Performance. CRC Handbook of Thermoelectrics. Ed. by D.M. Rowe. London: CRC Press. 1995; 143-156.

19. J.L. Bierschenk, D.A. Johnson. Latest Developments in Thermoelectrically Enhanced Heat Sinks. Electronics Cooling. 2005; 11 (3): 24-32.

20. Serial numbering system of RMT ltd. https://www.rmtltd.ru/support/part-numbering/

21. И.А. Драбкин, Л.Б. Ершова. Сравнение различных подходов к оптимизации однокаскадных термоэлектрических модулей. Доклады X Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применения». 2006; 386-390.

22. Л.И. Анатычук. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник. Киев: Наукова думка. 1979; 766 с.

23. V. Semenyuk, D. Protsenko. Optimal Integration of Cascade Thermoelectric Cooler into Electronic Housing: Experimental Approach. Journal of Electronic Materials. 2018; 47: 3282-3287. doi: 10.1007/s11664-018-6181-1

24. S.M. Gorodetsky, I.A. Drabkin, I.V. Nelson. Facilities for measurement of contact resistance of thermoelectric materials. Factory laboratory. 1984; 12: 49-51.

25. В.А Наер. Влияние контактных электрических и тепловых сопротивлений на характеристики полупроводниковых батарей. Холодильная техника и технология. Киев: Техника. 1965; 1: 9-15.


Дополнительные файлы

Рецензия

Для цитирования:


Лаврентьев М.Г., Волков М.П., Воробьев Д.В., Драбкин И.А., Ершова Л.Б. Сравнительный анализ энергетических характеристик однокаскадных и многокаскадных термоэлектрических модулей. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202504.644

Просмотров: 7


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)