автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование конструкции и технологии высокоэффективных термоэлектрических устройств

На правах рукописи Экз.*

БОЖЕНАРЬ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Щ 08 -

2 2 ЛЕН т

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

(05.27.01 -Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -2000

Работа выполнена на кафедре материаловедения и физической химии в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Штерн Ю.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, член кор. РАЕН,

лауреат Государственной премии Освенский В.Б.

доктор технических наук,

профессор РаскинА.А.

Ведущая организация: - ГП «Координационно-аналитический центр по межвузовским инновационным и научно-техническим программам».

Защита состоится «_» _2000 г.

на заседании диссертационного Совета Д.053.02.03 в Московском государственном институте электронной техники (ТУ) по адресу:

103498 Москва, К-498, г. Зеленоград, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института Автореферат разослан «. » _2000 г.

Ученый секретарь диссертационн д.ф.-м.л., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы значительно увеличился спрос на термоэлектрические приборы. Таким признанным монополистам, обладающим современной технологией термоэлектрических модулей (ТЭМ), как фирмы Melcor и Marlow (США), существенную конкуренцию составили производители России, что положительно влияет на качество и стоимость ТЭМ.

Возросший интерес к термоэлектрическому способу охлаждения определяется несколькими причинами. Во-первых, термоэлектрические (т/э) устройства обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения и термостатирования, например: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, малыми габаритами и весом, возможностью локального охлаждения, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования и статирования teMnepaiypbi. Во-вторых, интенсификация исследований в области термоэлектричества и достигнутые успехи в термоэлектрическом материаловедении, значительно расширили область применения термоэлектрических охлаждающих устройств (ТОУ). В том числе, можно с уверенностью утверждать, что ТОУ не имеют равных в использовании для стабилизации температуры и охлаждения электронных приборов в интервале температур (150 + 400)К. В-третьих, высокая экологичность и безопасность, несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТОУ по сравнению с компрессионными и другими системами охлаждения.

Широкое применение во всех сферах деятельности человека холодильной техники с фреоносодержащими смесями явилось одной из причин серьезного нарушения экологического баланса земной атмосферы, связанного с нарушением озонового слоя. В связи с этим, под эгидой ООН, принят ряд решений по запрещению дальнейшего производства фреона и

применения фреоносодержащий смесей. В 1985 году 38 государствами была принята Венская конвенция об охране озонового слоя (ЮНЕП № 13/18 от 23 мая), определившая предельные сроки производства и применения фреоносодержащих смесей. Это подтверждено также и актом Монреальской конвенции ООН от 16 сентября 1987 года.

Единственная альтернатива компрессионной холодильной технике, и это признано всем мировым сообществом - термоэлектрические охлаждающие системы, работающие на эффекте Пельтье.

В настоящее время не реализована и малая часть тех возможностей, которые дает термоэлектрический способ охлаждения. Анализ современного состояния производства ТОУ позволяет сделать вывод об интенсификации использования этих устройств. Термоэлектрические приборы находят широкое применение, как в быту, так и во многих областях науки и техники, в том числе и военно-промышленном комплексе. Однако, как показали исследования, возможности ТОУ в плане увеличения эффективности далеко не исчерпаны. Наиболее отстающим звеном в термоэлектрическом приборостроении является конструирование и технология термоэлек- , трических устройств, которые не претерпели, каких либо, значительных изменений за десятки лет.

Современные требования к эффективности термоэлектрических приборов предопределили необходимость решения ряда задач оптимизации ТОУ, связанных с конструкцией и технологией этих устройств. Важными факторами в проектировании ТОУ, также во многом определяющими их эффективность, являются методики расчета конструкции и исследования параметров термоэлектрических устройств.

Цель диссертациоиной работы заключалась в разработке и исследовании конструкции и технологии высокоэффективных термоэлектрических охлаждающих устройств. .

Научная новизна работы. Проведена оптимизация известных методик расчета ТОУ, заключающаяся в том, что исходные величины предварительно корректируются с учетом статистических данных режимов работы термоэлектрических устройств.

Разработана новая методика проектирования ТОУ, позволяющая проводить расчет и моделировать режимы работы термоэлектрических устройств с учетом реальной температуры спаев ТЭМ.

Впервые введено понятие теплопровода в конструировании ТОУ. Разработаны методики расчета теплопровода по параметрам: "максимальная разность температур" и "потребляемая мощность" термоэлектрического устройства.

Проведены исследования омических контактов к термоэлектрическим материалам, полученных различными методами. Установлены факторы, контролирующие адгезионную прочность и удельное сопротивление формируемых контактов. Обоснована оптимальная технология омконтактов к термоэлементам.

Проведен анализ систем охлаждения и температурного мониторинга в современных компьютерах. Впервые предложен комплексный подход к проблеме термостабилизации электронных компонентов компьютера с помощью термоэлектрических устройств.

Практическая ценность, Разработана методика и изготовлен экспериментальный стенд для исследования геплофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии.

Разработаны стенд и методика поверки и калибровки средств измерения температуры.

Разработаны методика и программа для расчета нового элемента конструкции ТОУ - теплопровода.

Разработанные в диссертационной работе методики н конструктивные решения использовались при создании следующих высокоэффективных термоэлектрических устройств:

- т/э климатических камер для исследований различных объектов при температурах от - 60°С до +60°С;

- т/э термостатов для исследования теплофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии;

- т/э установки обеспечения теплового режима комплекса ПР600;

- т/э холодильников;

- т/э термостатов для поверки и калибровки средств измерения температуры в диапазоне от - 60°С до +60°С;

- т/э устройств термостатирования блоков электронной аппаратуры;

- т/э систем для термостабилизации процессоров в современных компьютерах.

Некоторые из указанных приборов и методик внедрены в производство, что подтверждено актами внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту;

- комплекс методик, позволяющих контролировать основные параметры термоэлектрических охлаждающих устройств в процессе разработки и исследований;

- рекомендации по оптимизации известных методик расчета параметров ТОУ;

- методика расчета теплофизических параметров реальных термоэлектрических устройств;

- способы оптимизации конструкции термоэлектрических блоков с учетом нового конструктивного элемента-теплопровода;

- методики расчета теплопровода по двум параметрам: максимальной разности температур и потребляемой мощности;

- технология омических контактов к термоэлементам;

- конструкции и технология сборки высокоэффективных термоэлектрических систем различного назначения;

- результаты исследований ТОУ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и Информатика-98» (Москва, 1998г.), Девятой научно-технической конференции «Датчик-99» (Крым, Гурзуф, 1999г.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и Информатика-99» (Москва, 1999г.), Всероссийской научно-технической конференции «Сенсор 2000» (Санкт-Петербург, 2000г.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и Информатика-2000» (Москва, 2000г.). 3-й Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика-XXI век» (Москва, 2000г.).

Приборы, технология и методики, разработанные в процессе подготовки диссертационной работы, экспонировались на 7 научно-технических выставках в стране и за рубежом. В том числе на международных салонах изобретений в 1998г. (Женева) и 1999г. (Париж) получены почетные дипломы и золотые медали,

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 13 работах, список которых приведен в автореферате.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложения.

Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 40 таблиц. Список использованных источников включает 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы выбор и актуальность темы, сформулированы цель работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе проведен анализ отечественной и зарубежной научно-технической информации по термоэлектрическому приборостроению. Рассмотрены проблемы создания высокоэффективных термоэлектрических охлаждающих устройств. Отмечено, что твердые растворы на основе тел-лурида висмута, с термоэлектрической добротностью (2,8+3,3)* 10"3К'' при температуре 300 К, в настоящее время, остаются наиболее эффективными термоэлектрическими материалами для ТЭМ.

Рассмотрены проблемы, связанные с технологией термоэлектрических модулей. Одной из основных задач в технологии ТЭМ является создание омического контакта к термоэлементу, обладающего минимальным электрическим сопротивлением и высокой адгезией. Показано, что сопротивление омических контактов существенно влияет на разность температур между спаями термоэлектрического модуля. Кроме того, адгезия контакта к т/э материалу в значительной степени определяет механическую прочность и надежность ТЭМ. При повышенных температурах эксплуатации существенно увеличивается диффузия припоя в т/э материал, в связи с этим отмечено, что применение антидиффузионного слоя повышает диапазон рабочих температур и ресурс эксплуатации ТЭМ.

Современная технология ТОУ в большой степени определяется конструкционными материалами и технологией сборки термоэлектрического устройства. Важной группой материалов, которые используются при создании ТОУ, являются, так называемые, контактные материалы, используемые для создания теплового контакта между элементами конструкции ТОУ. Отмечено значительное повышение активности в области создания новых контактных материалов, в том числе появление относительно новых

элементов -прокладок из теплопроводных материалов. В связи с этим проведение анализа и экспериментальных исследований применения этих материалов в конструкции ГОУ является необходимым условием при разработке термоэлектрических устройств.

Первым и наиболее важным этапом в создании ТОУ является расчет отдельных узлов и т1э устройства в целом. Использование известных методик расчета ТОУ позволяет получить приближенные параметры устройства. В связи с этим, возникает необходимость доработки конструкции с помощью макетирования и проведения соответствующих испытаний. Это довольно дорогой и длительный процесс. Поэтому целесообразна оптимизация этих методик, позволяющая приблизить результаты расчета к реальным параметрам разрабатываемых устройств.

Так как известные методики расчета термоэлектрических охлаждающих устройств, использующие в качестве исходных параметров температуру холодного спая термоэлектрического модуля, активную тепловую нагрузку и температуру теплоносителя горячего спая, являются неоднозначными с точки зрения получения объективных данных, возникает необходимость в создании методики, позволяющей рассчитывать реальные параметры термоэлектрического устройства.

Известно, что в термоэлектрических устройствах теплонатекания с горячего теплообменника на холодный существенно снижают эффективность ТОУ. Это обстоятельство усугубляется еще и тем, что площади поверхностей теплообменников, на которые устанавливаются ТЭМ, как правило, значительно больше рабочих площадей модулей. В связи с этим, для повышения эффективности т/э устройств, необходимо увеличить расстояние между теплообменниками, и тем самым увеличить толщину изоляции между ними. Для этого в конструкцию термоэлектрического устройства целесообразно ввести дополнительный элемент - теплопровод. Соотпетст-

венно, возникает необходимость в создании методики, позволяющей рассчитывать оптимальные параметры теплопровода.

Создание высокоэффективных термоэлектрических устройств невозможно без применения современных методик исследования, как отдельных элементов конструкции, так и устройства в целом. Методики должны обеспечивать получение достоверных результатов, а в составе соответствующих экспериментальных стендов необходимо использование высокоточных измерительных приборов и компьютерной техники для оперативной обработки полученных данных.

Отмечено, что точное измерение температуры, которая является одним из основных исследуемых параметров термоэлектрических устройств, вызывает наибольшие трудности. Воспроизводимость и точность измерений являются определяющими характеристиками термодатчиков. Какова бы не была природа датчиков температуры, они должны быть откалибро-ваны и периодически поверяться на соответствующем оборудовании. В связи с этим, в исследованиях ТОУ, появляется необходимость в разработке методик и стендов для калибровки и поверки средств измерения температуры.

Рассмотрены перспективы применения ТОУ для охлаждения и термостабилизации различных объектов. Отмечено увеличение активности термоэлектрического приборостроения, расширение области применения термоэлектрических охлаждающих устройств. Одно из новых направлений -использование термоэлектричества для обеспечения тепловых режимов электронных компонентов современных компьютеров. Технология создания процессоров является наиболее прогрессирующей в электронной технике. Основные требования, предъявляемые к параметрам процессоров: увеличение быстродействия, главным образом, за счет повышения тактовой частоты, и снижение потребляемой мощности. Последнее достигается за счет уменьшения напряжения питания процессоров. Не, смотря на

стремление фирм-производителей процессоров следовать выше перечисленным требованиям, каждый новый процессор выделяет все больше мощности, т,е. греется сильнее. А так как быстродействие процессора в значительной степени определяется его температурой, задача теплоотвода для современных процессоров имеет существенное значение. Проблемы, связанные с тепловыми режимами, имеют место и при эксплуатации видеокарт, винчестеров, CD-ROM, материнских плат и др. Таким образом, решение задач обеспечения оптимальных тепловых режимов электронных компонентов компьютеров является весьма актуальным.

На основании вышеизложенного перед данной диссертационной работой были поставлены следующие задачи:

- разработать методику и изготовить стенд для исследования теплофи-зических параметров термоэлектрических преобразователей энергии;

- разработать методику и изготовить стенд для исследования средств измерения температуры в интервале от - 60°С до +. 200°С;

- оптимизировать известные методики приближенного расчета термоэлектрических устройств;

-разработать методику расчета теплофизических параметров реальных термоэлектрических устройств;

-провести оптимизацию конструкции термоэлектрического блока и обосновать необходимость введения нового конструктивного элемента-теплопровода;

- разработать методики расчета оптимальных параметров теплопровода;

-провести исследования омических контактов к термоэлементам, сформированных вакуумным нанесением металла и, по полученным данным, оптимизировать технологический процесс;

- провести сравнительный анализ применения различных контактных материалов в технологии ТОУ;

- провести анализ систем охлаждения и температурного мониторинга в современных компьютерах и определить возможность эффективного использования термоэлектрических устройств для термостабилизации электронных компонентов компьютера;

-разработать и исследовать эффективные термоэлектрические устройства различного назначения.

Во второй главе отмечено, что комплексные исследования являются необходимым этапом в процессе создания эффективных ТОУ. С этой целью разработаны следующие методики и стенды:

- методика и стенд для исследования тегоюфизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии;

- методика и стенд для поверки и градуировки средств измерения температуры.

Первый стенд предназначен для исследования теплофизических параметров одно- и многокаскадных термоэлектрических устройств, в том числе т/э генераторов. Стенд может также использоваться для исследований и экспрессных испытаний т/э модулей на производстве. Блок-схема стенда и схема термоэлектрического термостата, в котором проводятся измерения, представлены на рис.1 и 2. Стенд позволяет исследовать следующие характеристики, при значениях температуры горячего (холодного) спая от -20°С до +80"С и различной потребляемой мощности исследуемого термоэлектрического устройства:

- создаваемую разность температур;

- холодопроизводительность;

- нагрузочные характеристики термоэлектрических устройств. А также:

- ВАХ термоэлектрического устройства в холостом режиме и при различных значениях откачиваемой мощности;

- внутреннее сопротивление термоэлектрического устройства;

Рис.1. Блок-схема стенда для исследования термоэлектрических преобразователей энергии.

Рис.2. Устройство термостата: 1) жидкостной теплообменник; 2) датчик температуры теплообменника; 3) термоэлектрический блок стабилизации горячего спая; 4) термостатнруемая поверхность; 5) датчик температуры горячего спая исследуемого т/э устройства; 6) исследуемое тЬ устройство; 7) теплопровод; 8) датчик температуры холодного спая исследуемого т/э устройства; 9) нагрузочный элемент; 10) теплоизоляция,

- термо-э.д.с. термоэлектрических генераторов при различных температурах горячего и холодного спая.

Измерение температуры холодного и горячего спаев исследуемого термоэлектрического устройства осуществляется прецизионным электронным термометром DTI - 1000. Роль термочувствительных элементов выполняют платиновые датчики температуры установленные на термостаби-лизируемой поверхности (датчик температуры горячего спая) и на теплопроводе (датчик температуры холодного спая). Электронный термометр DTI - 1000 позволяет одновременно обрабатывать данные с двух датчиков температуры и индицировать их на ЖК дисплее.

Измерение электрических параметров исследуемого т/э устройства осуществляется мультиметром HP - 34402А, Данные с мультиметра, а также с термометра DTI - 1000 могут считываться непосредственно с приборов или сохраняться в текстовый файл компьютера.

Для измерения электрического сопротивления исследуемого т/э устройства используется цифровой измеритель фирмы "Tesla" ВМ559. Электрическое сопротивление измеряется на переменном токе по четырехпро-водной схеме.

Погрешности измерений температуры не превышают во всем диапазоне 0,1%, электрических параметров 1%. Проведенные измерения с использованием эталонов показали воспроизводимость, полученных результатов в пределах допустимых погрешностей разработанной методики. На данном стенде получен ряд характеристик ТЭМ, которые использовались для экспериментального моделирования в рамках методики расчета реальных термоэлектрических устройств и расчета ТОУ, рассматриваемых в главе 4.

Стенд для исследования средств измерения температуры позволяет калибровать и поверять: полупроводниковые, терморезистивные и термоэлектрические датчики температуры, а также изготовленные с. их исполь-

зованием термометры в температурном диапазоне от - 60°С до + 200°С. Блок-схема стенда представлена на рис.3.

Стенд предназначен для калибровки и поверки средств измерения температуры методом сравнения с эталоном. В качестве эталона использу-

Рис.З. Блок-схема стенда для исследования средств измерения температуры.

ется платиновый чувствительный элемент, класса А или платиновый датчик температуры, поставляемый в комплекте с ОТТ-ЮОО. Измерения проводятся с помощью прецизионного электронного термометра ШЫООО, а также мульгиметра НР 34002А, который имеет возможность проводить измерения сопротивления по четырехлроводной схеме и термо-э.д.с. в случае калибровки термопар.

Основные характеристики стенда: Диапазон рабочих температур от - 60°С до + 200°С

Погрешность статирования температуры ± 0,3 °С

Градиент температуры по высоте рабочей зоны, не более 0,05 °С

Дискретность индикации

0,01 °с

Время выхода на режим, не более Высота рабочей зоны термостата Количество одновременно

60 мин

50 мм

поверяемых средств измерения Диаметр измерительной ячейки Глубина измерительной ячейки

10

3 и 4 мм.

100 мм

Потребляемая мощность, не более

400 Вт

Проведенные исследования с использованием эталонов, а также сопоставление данных, полученных на рассматриваемом стенде и оборудовании Российского центра испытаний и сертификации, позволяют сделать вывод, что с помощью предлагаемой методики возможно проводить градуировку и поверку средств измерения температуры с абсолютной погрешностью не превышающей 0,1 °С.

Третья глава посвящена оптимизации конструкции и технологии термоэлектрических охлаждающих устройств.

Проведена оптимизация известных методик расчета термоэлектрических устройств, заключающаяся в предварительной корректировке исходных данных. Как показали исследования, наибольший вклад в погрешность расчета проектируемого прибора вносят ошибки в определении разности температур между холодным теплообменником и охлаждаемым объектом, а также разности температур между горячим теплообменником и теплоносителем, которые в сумме могут составить до 50°С. Теплообмен на спаях ТЭМ, как правило, осуществляется с помощью жидкости или воздуха. Поэтому были исследованы основные конструктивные варианты и проведена оптимизация расчета, учитывающая конкретные тип теплообмена на спаях рассматриваемого ТОУ. Дополнительные теплонатекания на холодный теплообменник часто оказывают существенное влияние на характеристики т/э прибора. В связи с этим, особое внимание уделено расчету теплонате-

каний, которые затем суммируются с активной нагрузкой. Таким образом, предложенные поправки к известным методикам, позволяют приблизить результаты расчета к реальным параметрам разрабатываемых устройств.

Разработана методика, позволяющая рассчитывать т/э устройства с реальной температурой горячего спая, что позволило минимизировать процесс предварительного макетирования проектируемого ТОУ. Основой разработанной методики является использование нагрузочных характеристик ТЭМ, полученных для постоянной температуры холодного спая. Созданная методика включает в себя следующие этапы расчета:

1) Определение зависимости температуры горячего спая от тепла, выделяемого на горячем спае ТЭМ, при заданной температуре холодного спая;

2) Определение зависимости температуры основания используемого теплообменника горячего спая от рассеиваемого им теплового потока;

3) Решение системы уравнений, полученной для термоэлектрического модуля и теплообменника горячего спая по данным, определенным на первом и втором этапах.

Решением системы уравнений будет искомая температура горячего спая ТЭМ, необходимая для дальнейшего проектирования. Однако, указанная система уравнений может иметь три варианта решений, одним из которых является случай, когда рассматриваемый теплообменник ни при каких условиях не обеспечивает устойчивого теплового режима. Таким образом, предлагаемая методика, оптимизируя процесс разработки ТОУ, позволяет также исключить заведомо неприемлемые технические решения.

С целью оптимизации ТОУ в конструкцию термоэлектрического блока введен новый конструктивный элемент - теплопровод. Определены возможные материалы для его изготовления и технология установки теплопровода в конструкции термоэлектрического блока. Показано, что для дос-

тижения максимальной эффективности, необходимо оптимизировать габариты теплопровода с учетом возможных режимов работы термоэлектрического устройства (рис.4,5). В связи с этим, разработаны методики расчета высоты теплопровода по двум основным параметрам: максимальная разность температур и потребляемая мощность. Компьютерное моделирова

Рис.4. Зависимость максимальной разности температур от высоты теплопровода.

ЩВт

Щ, ч

№ ■ "тт

1

^ор/

Рис.5. Зависимость потребляемой мощности термоэлектрического устройства от высоты теплопровода,

ние показало, что при использовании теплопровода оптимальной высоты, максимальная разность температур ТОУ увеличивается на 5+8°С, а потребляемая мощность снижается, в среднем, на 10+15%. Разработана программа для проведения расчета оптимальной высоты теплопровода по заданным конструкционным параметрам проектируемого устройства.

Предложена технология формирования омических контактов к термоэлементам. Показано, что среди известных методов контакты, полученные вакуумным напылением металлов, обладают наилучшими характеристиками. Определены оптимальные толщины металлических пленок (0,6+1,0 мкм) и основные режимы металлизации для термоэлектрических материалов с различным типом проводимости. Проведенные исследования показали, что контакты, сформированные электронно-лучевым способом, имеют достаточно низкое удельное сопротивление - (1+5)хЮ'10 Ом м2 и высокую адгезионную прочность - (185+190)х10"5 Па.

Рассмотрены современные контактные материалы, применяемые в технологии ТОУ. Проведены исследования влияния теплопроводных паст, клеев, и, широко используемых в настоящее время, теплопроводных прокладок на эффективность термоэлектрических устройств. Измерены коэффициенты теплопроводности контактных материалов. Для паст и клеев теплопроводность составила 0,8+1,8 Вт/м'К, для прокладок 2+3 Вт/м-К. Показано, что несмотря на то, что теплопроводные прокладки удобны в применении и имеют больший коэффициент теплопроводности, однако их толщина на порядок выше аналогичного слоя пасты, что значительно увеличивает термическое сопротивление контакта.

В четвертой главе приводятся результаты разработки и исследования высокоэффективных термоэлектрических устройств. В процессе создания этих устройств использовались методики расчетов и исследования, рассмотренные в этой работе.

Разработан и исследован термоэлектрический холодильник с повышенными техническими и функциональными возможностями для использования в медицине, на транспорте, научных исследованиях и быту. Ос-

новные характеристики:

- объем холодильной камеры, л 28

- максимальная разность температуры, °С 32

- потребляемая мощность в режиме охлаждения, Вт 150

- питание, В/Гц 220/50

- транспортный вариант, В +24

- габариты (с блоком питания), мм 350 х 400 х 550

- масса:

- холодильника, кг (не более) 10

- блока питания, кг (не более) 2,5

В термоэлектрическом холодильнике предусмотрено несколько режимов работы, цифровая индикация и стабилизация температуры в холодильной камере. Проведен полный комплекс исследований и испытаний, в том числе для различных вариантов теплообменников горячего и холодного спаев ТЭМ. Исследован температурный профиль в основных узлах конструкции, как в статическом, так и в динамическом режимах.

Разработанная камера тепла и холода с рабочим объемом 6 л позволяет проводить исследования различных объектов в интервале температур от - 60°С до + 60вС, Управление режимами работы камеры осуществляется программируемым микропроцессорным блоком. Точность поддержания заданной температуры в рабочем объеме ±0,5°С. Предусмотрена индикация текущей и заданной температуры, а также связь микропроцессорного блока с компьютером.

Важной областью применения термоэлектрических охлаждающих устройств является термостабилизация электронных приборов и компо-

нентов. Для этих целей разработан ряд термоэлектрических охлаждающих устройств.

Разработана термоэлектрическая установка обеспечения теплового режима комплекса ПР600. Блок-схема установки представлена на рис.6. Значение температуры хладоносителя, обеспечиваемое установкой в установившемся режиме:

- для КОМПЛЕКСА ПР600 АПНГК

в «горячем режиме» плюс 7 °С;

в «холодном режиме» плюс 20 °С;

- для прибора ПР601 плюс 13,5 °С.

Микропроцессорный блок регулирования температуры предусматривает возможность перенастройки температуры хладоносителя в диапазоне ± 5°С от каждого номинала. Время выхода на установившийся температурный режим не более 30 мин. Точность поддержания заданного значения температуры хладоносителя - ± 1°С. Максимальное количество тепла, отводимое установкой при температуре окружающей среды плюс 20°С -650Вт. Температура окружающей среды, при которой эксплуатируется установка: +15°С + +30°С. Электроснабжение установки осуществляется переменным током напряжением 220 В ± 5%, частотой 50 Гц ± 2%. Мощность, потребляемая установкой, не более - 3 кВт. Масса установки не превышает-60 кГ.

Разработано термоэлектрическое устройство для термостатирования блока электронной аппаратуры Проведен теплофизических расчет устройства и расчет теплообменников. Основные характеристики изделия:

- активная нагрузка, отводимая от стенок корпуса электронного блока-100 Вт;

- максимально допустимая температура охлаждаемых стенок корпуса +40 °С;

ГО

Рис.6. Блок-схема установки обеспечения теплового режима комплекса ПР600. Основные элементы конструкции: 1)

охлаждаемый объект; 2) установка обеспечения теплового режима комплекса ПР600; 3) дистанционный блок индикации; 4) теплообменник; 5) термоэлектрический блок; 6) блоки питания; 7) блок управления и индикации; 8) помпы; 9) расширительные емкости; 10) теплообменники горячего контура; 11) датчики температуры хладоносителя; 12) клапан подачи азота; 13) клапан перекрытия хладоносителя.

- максимальная температура воздушного потока, подаваемого на теплообменник горячих спаев ТОУ-+ 60°С;

- максимальные габариты ТОУ - 2 т/э блока 320 х 160 х 25 мм;

- напряжение питания ТОУ - 27 В.

Определены основные проблемы, связанные с обеспечением тепловых режимов электронных компонентов компьютеров. Установлено, что традиционные методы принудительного охлаждения не справляются с возросшими в современных компьютерах тепловыми нагрузками. Для обеспечения тепловых режимов используются даже не технологичное, с точки зрения персональных компьютеров (ПК) водяное и компрессионное охлаждение. Изучены тенденции развития технологии производства процессоров для (ПК). Показана целесообразность использования термоэлектрических систем охлаждения для компьютеров. Определена необходимость использования электронных систем для управления термоэлектрическими охлаждающими устройствами. Проведен анализ выпускаемых интегральных датчиков, предназначенных для температурного мониторинга в компьютерах, Обоснован выбор интегрального датчика АО 22105. Разработаны и изготовлены электронные схемы управления ТОУ. Разработаны и изготовлены термоэлектрические охлаждающие устройства для термостабилизации процессоров. Исследования этих устройств проводились на изготовленном экспериментальном стенде. На рис.7 представлены зависимости разности температур процессора и окружающей среды (ДТ) от мощности, выделяемой процессором. Результаты исследований показали эффективность применения ТОУ для обеспечения теплового режима процессора.

Для проведения температурных исследований разработано несколько вариантов цифровых электронных термометров, в том числе программируемых. Интервал измеряемых температур от -100°С до +600°С, абсолютная погрешность измерений для различных вариантов от ± 0,8°С до

50 40 30 20 10

<Р

й 0 -10

-20

-30

-40

-50

Рис.7. Зависимости разности температур процессора и окружающей среды (ДТ) от мощности, выделяемой процессором; 1) штатный теплообменник; 2) ТОУ для FC-PGA процессоров; 3) ТОУ для Slot 1 процессоров.

± 0,1°С. Разработаны также микропроцессорные программируемые блоки управления термическим оборудованием.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1.Для комплексных исследований теплофизических параметров в процессе создания эффективных ТОУ разработаны следующие методики и изготовлены стенды.

Методика и стенд для исследования теплофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии в интервале температур от

- 20°С до + 80°С. Погрешность измерений температуры не превышают во всем диапазоне 0,1%, электрических параметров 1%.

Методика и стенд для исследования средств измерения температуры в интервале от - 60°С до + 200°С. Данная методика позволяет калибровать и поверять полупроводниковые, терморезистивные и термоэлектрические датчики температуры, а также изготовленные с их использованием термометры с абсолютной погрешностью не превышающей 0,1 °С.

2. Проведена оптимизация известных методик расчета термоэлектрических устройств, заключающаяся в том, что исходные величины предварительно корректируются с учетом статистических данных режимов работы термоэлектрических устройств. Предложенные поправки к известным методикам, позволяют приблизить результаты расчета к реальным параметрам разрабатываемых устройств.

3. Разработана методика, позволяющая рассчитывать т/э устройства с реальной температурой горячего спая, что позволило минимизировать процесс предварительного макетирования проектируемого ТОУ. Основой разработанной методики является использование нагрузочных характеристик ТЭМ, полученных для постоянной температуры холодного спая.

4. С целью оптимизации ТОУ в конструкцию термоэлектрического блока введен новый конструктивный элемент - теплопровод. Определены возможные материалы для его изготовления и технология установки теплопровода в конструкции термоэлектрического блока.

5. Разработаны методики расчета высоты теплопровода по двум основным параметрам: максимальная разность температур и потребляемая мощность. Компьютерное моделирование показало, что при использовании теплопровода оптимальной высоты, максимальная разность температур ТОУ увеличивается на 5+8°С, а потребляемая мощность снижается, в среднем, на 10*15%. Разработана программа для проведения расчета оп-

тимальной высоты теплопровода по заданным конструкционным параметрам проектируемого устройства.

6. Предложена технология формирования омических контактов к термоэлементам. Показано, что среди известных методов контакты, полученные вакуумным напылением металлов, обладают наилучшими характеристиками. Определены оптимальные толщины металлических пленок (0,6+1,С мкм) и основные режимы металлизации для термоэлектрических материалов с различным типом проводимости. Проведенные исследования показали, что контакты, сформированные электронно-лучевым способом, имеют достаточно низкое удельное сопротивление - (1+5)х10"ш Оммг и высокую адгезионную прочность - (185+190)х10'3Па.

7. Рассмотрены современные контактные материалы, применяемые в технологии ТОУ. Проведены исследования влияния теплопроводных паст, клеев, и, широко используемых в настоящее время, теплопроводных прокладок на эффективность термоэлектрических устройств. Измерены коэффициенты теплопроводности контактных материалов. Для паст и клеев теплопроводность составила 0,8+1,8 Вт/м-К, для прокладок 2+3 Вт/м'К. Показано, что несмотря на то, что теплопроводные прокладки удобны в применении и имеют больший коэффициент теплопроводности, однако их толщина на порядок выше аналогичного слоя пасты, что значительно увеличивает термическое сопротивление контакта.

8. Определены основные проблемы, связанные с обеспечением тепловых режимов электронных компонентов компьютеров. Показана целесообразность использования термоэлектрических систем охлаждения для компьютеров. Спроектированы и изготовлены электронные схемы управления ТОУ. Разработаны и изготовлены термоэлектрические охлаждающие устройства для термостабилизации процессоров. Проведены испытания этих устройств на изготоатениом экспериментальном стенде. Результаты испы-

таний показали, что термоэлектрические устройства обеспечивают заданный тепловой режим работы процессора.

9. Разработанные в диссертационной работе методики и конструктивные решения использованы при создании следующих высокоэффективных термоэлектрических устройств:

- т/э климатической камеры для исследований различных объектов при температурах от - 60°С до +60°С;

- т/э термостата для исследования теплофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии;

- т/э установки обеспечения теплового режима комплекса ПР600;

- т/э холодильника;

- т/э термостата для поверки и калибровки средств измерения температуры в диапазоне от - 60°С до +60°С;

- т/э устройства термостатирования блоков электронной аппаратуры;

- т/э систем для термостабилизации процессоров в современных компьютерах.

10. Проведенные исследования разработанных термоэлектрических устройств показали эффективность предложенных методик их расчета. Изготовленные приборы по своим параметрам не имеют аналогов. Приборы, технология и методики, экспонировались на 7 научно-технических выставках в стране и за рубежом. В том числе на международных салонах изобретений в 1998г. (Женева) и 1999г. (Париж) получены почетные дипломы и золотые медали.

Результаты диссертационной работы внедрены в производство, что подтверждено актами внедрения.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Штерн Ю.И., Крикун Е.А., Николаев A.B., Боженарь Д.А. Термоэлектрическая климатическая камера: Тез. докл. /Микроэлектроника и ин-форматика-98. - М.: МИЭТ, 1998, с. 232.

2. Боженарь Д.А., Тарасов Р.Ю. Конструкция термоэлектрического блока: Тез. докл. /Микроэлектроника и информатика-99. - М.: МИЭТ,

1999, с.54.

3. Штерн Ю.И., Сурин С.В., Боженарь Д.А. Электронные термометры для контактного измерения температуры: Тез. докл. /XI НТКДатчик-99. - Крым, Гурзуф, 1999, с. 123.

4. Штерн Ю.И., Крикун Е.А., Боженарь Д.А. Стенд для градуировки датчиков температуры и поверки электронных термометров: Тез. докл. /XI НТК Датчик-99. - Крым, Гурзуф, 1999, с. 187.

5. Боженарь Д.А. Методика исследования энергофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии: Тез. докл. /Микроэлектроника и ннформатика-2000. - М.: МИЭТ, 2000, с. 10.

6. Штерн Ю.И., Тарасов Р.Ю., Боженарь Д.А. Разработка программного обеспечения для высокоточных электронных термометров: Тез. докл. 1 "Сенсор 2000" - Л.: НИИХ СПбГУ, 2000, с. 244.

7. Штерн Ю.И., Боженарь Д.А. Оптимизация конструкции термоэлектрических охлаждающих устройств - Электроника, известия вузов,

2000, №2, с. 80-86.

8. Штерн Ю.И., Боженарь Д.А., Тарасов Р.Ю. Термоэлектрический тер-

?

мостат для калибровки и поверки средств измерения температуры: Тез. докл. / "Сенсор 2000" - Л.: НИИХ СПбГУ, 2000, с. 243.

9. Штерн Ю.И., Тарасов Р.Ю., Боженарь Д.А. Высокоточные электронные термометры. Разработка програмного обеспечения: Тез. докл. /Электроника и информатика-XXl век. - М.: МИЭТ, 2000, с. 2.

10. Разработка и исследование прецизионного программируемого термоэлектрического термостата. Отчет о НИР (закл.) /М. МИЭТ. Рук. Штерн Ю.И., отв. исп. Боженарь ДА. -«188-ГБ-53-МВ». 2000. - 78 с.

11. Разработка комплекта методических материалов для функционирования лаборатории по сертификации и аттестации энергоэффективного оборудования в системе Минобразования РФ. Отчет о НИР (закл.) /М. Рук. Штерн Ю.И., отв. исп. Боженарь Д.А. -«70-ГБ-53-МВ». 1999. -120 с.

12. Штерн Ю.И., Пичугин B.C., Боженарь Д.А., Тарасов Р.Ю. Высокоточные температурные технологии - Электроника, известия вузов, 2000, №4-5, с.

13. Штерн Ю.И., Боженарь Д.А., Тарасов Р.Ю. Термоэлектрические системы для обеспечения тепловых режимов современных компьютеров: Тез. докл. /Электроника и информатика-XXI век. - М.: МИЭТ, 2000, с.

Подписано в печать 15 //• ZODO Зак.№2М Тираж 100 экз.

Формат/А/У^цОбьем 1,1 уч.изд.л. Отпечатано в типографии МИЭТ(ТУ)

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ (ТОУ)

1.1. Технология элементов Пельтье

1.1Л. Термоэлектрические (т/э) материалы для элементов

Пельтье

1 Л.2. Основные направления совершенствования технологии термоэлектрических модулей

1.2. Проблемы создания высокоэффективных термоэлектрических устройств

1.2.1. Конструкционные и технологические решения для современных ТОУ

1.2.2. Перспективы применения ТОУ для охлаждения и термостабилизации различных объектов

1.2.3. Проблемы термостабилизации электронных компонентов современных компьютеров

1.3. Постановка основных задач исследования

2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОХЛ А ДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ 32 2.1. Методика исследования теплофизических параметров т/э преобразователей энергии

2.1.1. Разработка стенда для исследования термоэлектрических преобразователей энергии

2.1.2. Методические рекомендации по исследованию теплофизических параметров термоэлектрических преобразовател ей энергии

2.1.3. Результаты исследований параметров т/э преобразователей энергии

2.2. Методика исследования средств измерения температуры

2.2.1. Разработка стенда для калибровки и поверки средств измерения температуры

2.2.2. Методические рекомендации по исследованию и поверке средств измерения температуры

В последние годы значительно увеличился спрос на термоэлектрические приборы. Таким признанным монополистам, обладающим современной технологией термоэлектрических модулей (ТЭМ), как фирмы Melcor и Marlow (США), существенную конкуренцию составили производители России, что положительно влияет на качество и стоимость ТЭМ.

Возросший интерес к термоэлектрическому способу охлаждения определяется несколькими причинами. Во-первых, термоэлектрические (т/э) устройства обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения и термостатирования, например: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, малыми габаритами и весом, возможностью локального охлаждения, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования и статиро-вания температуры. Во-вторых, интенсификация исследований в области термоэлектричества и достигнутые успехи в термоэлектрическом материаловедении, значительно расширили область применения термоэлектрических охлаждающих устройств (ТОУ). В том числе, можно с уверенностью утверждать, что ТОУ не имеют равных в использовании для стабилизации температуры и охлаждения электронных приборов в интервале температур (150 ^ 400)К. В-третьих, высокая экологичность и безопасность, несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТОУ по сравнению с компрессионными и другими системами охлаждения.

Широкое применение во всех сферах деятельности человека холодильной техники с фреоносодержащими смесями явилось одной из причин серьезного нарушения экологического баланса земной атмосферы, связанного с нарушением озонового слоя. В связи с этим, под эгидой ООН, принят ряд решений по запрещению дальнейшего производства фреона и применения фреоносодержащий смесей. В 1985 году 38 государствами была принята Венская конвенция об охране озонового слоя (ЮНЕП № 13/18 от 23 мая), определившая предельные сроки производства и применения фреоносодержащих смесей. Это подтверждено также и актом Монреальской конвенции ООН от 16 сентября 1987 года.

Единственная альтернатива компрессионной холодильной технике, и это признано всем мировым сообществом - термоэлектрические охлаждающие системы, работающие на эффекте Пельтье.

В настоящее время не реализована и малая часть тех возможностей, которые дает термоэлектрический способ охлаждения. Анализ современного состояния производства ТОУ позволяет сделать вывод об интенсификации использования этих устройств. Термоэлектрические приборы находят широкое применение, как в быту, так и во многих областях науки и техники, в том числе и военно-промышленном комплексе. Однако, как показали исследования, возможности ТОУ в плане увеличения эффективности далеко не исчерпаны. Наиболее отстающим звеном в термоэлектрическом приборостроении является конструирование и технология термоэлектрических устройств, которые не претерпели, каких либо, значительных изменений за десятки лет.

Современные требования к эффективности термоэлектрических приборов предопределили необходимость решения ряда задач оптимизации ТОУ, связанных с конструкцией и технологией этих устройств. Важными факторами в проектировании ТОУ, также во многом определяющими их эффективность, являются методики расчета конструкции и исследования параметров термоэлектрических устройств. В связи с этим, цель диссертационной работы заключалась в разработке и исследовании конструкции и технологии высокоэффективных термоэлектрических охлаждающих устройств.

Научная новизна работы. Проведена оптимизация известных методик расчета ТОУ, заключающаяся в том, что исходные величины предварительно корректируются с учетом статистических данных режимов работы термоэлектрических устройств.

Разработана новая методика проектирования ТОУ, позволяющая проводить расчет и моделировать режимы работы термоэлектрических устройств с учетом реальной температуры спаев ТЭМ.

Впервые введено понятие теплопровода в конструировании ТОУ. Разработаны методики расчета теплопровода по параметрам: "максимальная разность температур" и "потребляемая мощность" термоэлектрического устройства.

Проведены исследования омических контактов к термоэлектрическим материалам, полученных различными методами. Установлены факторы, контролирующие адгезионную прочность и удельное сопротивление формируемых контактов. Обоснована оптимальная технология омконтактов к термоэлементам.

Проведен анализ систем охлаждения и температурного мониторинга в современных компьютерах. Впервые предложен комплексный подход к проблеме термостабилизации электронных компонентов компьютера с помощью термоэлектрических устройств.

Результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях. Технология и приборы, разработанные в процессе подготовки диссертационной работы, экспонировались на выставках в стране и за рубежом. В том числе на международных салонах изобретений в 1998г. (Женева) и 1999г. (Париж) получены почетные дипломы и золотые медали.

Практическая ценность. Разработана методика и изготовлен экспериментальный стенд для исследования теплофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии. 8

Разработаны стенд и методика поверки и калибровки средств измерения температуры.

Разработаны методика и программа для расчета нового элемента конструкции ТОУ - теплопровода.

Разработанные в диссертационной работе методики и конструктивные решения использовались при создании следующих высокоэффективных термоэлектрических устройств:

- т/э климатических камер для исследований различных объектов при температурах от - 60°С до +60°С;

- т/э термостатов для исследования теплофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии;

- т/э установки обеспечения теплового режима комплекса ПР600;

- т/э холодильников;

- т/э термостатов для поверки и калибровки средств измерения температуры в диапазоне от - 60°С до +60°С;

- т/э устройств термостатирования блоков электронной аппаратуры;

- т/э систем для термостабилизации процессоров в современных компьютерах.

Некоторые из указанных приборов и методик внедрены в производство, что подтверждено актами внедрения.

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Для комплексных исследований теплофизических параметров в процессе создания эффективных ТОУ разработаны следующие методики и изготовлены стенды.

Методика и стенд для исследования теплофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии в интервале температур от - 20°С до + 80°С. Погрешность измерений температуры не превышают во всем диапазоне 0,1%, электрических параметров 1%.

Методика и стенд для исследования средств измерения температуры в интервале от - 60°С до + 200°С. Данная методика позволяет калибровать и поверять полупроводниковые, терморезистивные и термоэлектрические датчики температуры, а также изготовленные с их использованием термометры с абсолютной погрешностью не превышающей 0,1 °С.

2. Проведена оптимизация известных методик расчета термоэлектрических устройств, заключающаяся в том, что исходные величины предварительно корректируются с учетом статистических данных режимов работы термоэлектрических устройств. Предложенные поправки к известным методикам, позволяют приблизить результаты расчета к реальным параметрам разрабатываемых устройств.

3. Разработана методика, позволяющая рассчитывать т/э устройства с реальной температурой горячего спая, что позволило минимизировать процесс предварительного макетирования проектируемого ТОУ. Основой разработанной методики является использование нагрузочных характеристик ТЭМ, полученных для постоянной температуры холодного спая.

4. С целью оптимизации ТОУ в конструкцию термоэлектрического блока введен новый конструктивный элемент - теплопровод. Определены возможные материалы для его изготовления и технология установки теплопровода в конструкции термоэлектрического блока.

5. Разработаны методики расчета высоты теплопровода по двум основным параметрам: максимальная разность температур и потребляемая мощность. Компьютерное моделирование показало, что при использовании теплопровода оптимальной высоты, максимальная разность температур ТОУ увеличивается на 5-^8°С, а потребляемая мощность снижается, в среднем, на 10-И 5%. Разработана программа для проведения расчета оптимальной высоты теплопровода по заданным конструкционным параметрам проектируемого устройства.

6. Предложена технология формирования омических контактов к термоэлементам. Показано, что среди известных методов контакты, полученные вакуумным напылением металлов, обладают наилучшими характеристиками. Определены оптимальные толщины металлических пленок (0,6-^1,0 мкм) и основные режимы металлизации для термоэлектрических материалов с различным типом проводимости. Проведенные исследования показали, что контакты, сформированные электронно-лучевым способом,

10 2 имеют достаточно низкое удельное сопротивление - (1-ь5)х10" Ом-м и высокую адгезионную прочность - (185-И90)х10~5 Па.

7. Рассмотрены современные контактные материалы, применяемые в технологии ТОУ. Проведены исследования влияния теплопроводных паст, клеев, и, широко используемых в настоящее время, теплопроводных прокладок на эффективность термоэлектрических устройств. Измерены коэффициенты теплопроводности контактных материалов. Для паст и клеев теплопроводность составила 0,8^-1,8 Вт/мК, для материала прокладок 2-^-3 Вт/м-К. Показано, что несмотря на то, что теплопроводные прокладки удобны в применении и имеют больший коэффициент теплопроводности, однако их толщина на порядок выше аналогичного слоя пасты, что значительно увеличивает термическое сопротивление контакта.

8. Определены основные проблемы, связанные с обеспечением тепловых режимов электронных компонентов компьютеров. Показана целесообразность использования термоэлектрических систем охлаждения для компьютеров. Спроектированы и изготовлены электронные схемы управления ТОУ. Разработаны и изготовлены термоэлектрические охлаждающие устройства для термостабилизации процессоров. Проведены испытания этих устройств на изготовленном экспериментальном стенде. Результаты испытаний показали, что термоэлектрические устройства обеспечивают заданный тепловой режим работы процессора.

9. Разработанные в диссертационной работе методики и конструктивные решения использованы при создании следующих высокоэффективных термоэлектрических устройств:

- т/э климатической камеры для исследований различных объектов при температурах от - 60°С до +60°С;

- т/э термостата для исследования теплофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии;

- т/э установки обеспечения теплового режима комплекса ПР600;

- т/э холодильника;

- т/э термостата для поверки и калибровки средств измерения температуры в диапазоне от - 60°С до +60°С;

- т/э устройства термостатирования блоков электронной аппаратуры;

- т/э систем для термостабилизации процессоров в современных компьютерах.

10. Проведенные исследования разработанных термоэлектрических устройств показали эффективность предложенных методик их расчета. Изготовленные приборы по своим параметрам не имеют аналогов. Приборы, технология и методики, экспонировались на 7 научно-технических выставках в стране и за рубежом. В том числе на международных салонах изо

1. Рябышенков А.С., Сорокин М.В., Штерн А.Ю. Экологические проблемы использования хлорфторуглеродов. В кн.: Тезисы докладов Всероссийской межвузовской н.т. конференции «Микроэлектроника и Ин-форматика-99».-М.:МИЭТ, 1999, с.75.

2. Осипов Э.В., Борисенко В.Д. Твердотельные криогенные охладите-ли./Зарубежная электронная техника, 1975, № 7(103). 80 с.

3. Зейсканд Д.А. Термоэлектрические холодильники для электронного охлаждения приборов./Электроника, I960, № 17, с.39-45.

4. Pat. 2097184 А(ЗВ) Temperature regulating an electronic circuit module, 1982.

5. Разработка термо- и холодильных камер с использованием эффекта Пельтье. Отчет о НИР (закл.) / МИЭТ. Рук. Штерн Ю.И., отв. исп. Марков Ф.В. «936-ГБ-53-МП-МВ». Г.р. № 01980002727. Инв. № 02200002993, 1999.-61 с.

6. Pat. 2146865 A(GB) Camera with reduced condensation cooled solid-state imager, 1985.

7. Davis G.L., Mitcham И. Thermoelectric Cooler Technology. Int.Conf.Adv.Infrar.Detect.and Syst. London, 1981, pp.40-47.

8. Marlow R., Buist E.G., Nelson J.L. System Aspects of Thermoelectric Coolers for Hand Held Thermal Viewing. Texas, Marlow Industries, 1975, pp.125-155.

9. Разработка и модернизация лабораторных термоэлектрических приборов для теплофизических исследований различных объектов. Отчет о НИР (закл.) / МИЭТ. Рук. Штерн Ю.И., отв.исп. Марков Ф.В. -«71-ГБ-53-МВ». Г.р. № 1990008150. Инв. № 02200003451, 1999.-24 с.

10. Proc.4th Inter.Conf.on Thermoelectric Energy Conversion. -The University of Texas at Arlington. Texas, USA, 1982.

11. Aiternkirch E. Uber den Nutzeffekt der Thermosaule. -Phys. Zs., 1909. v. 10, N16, в.560-568.

12. Термоэлектрическое охлаждение./ А.Ф.Иоффе, Л.С.Стильбанс, Е.К.Иорданишвили, Т.С.Ставицкая. М.-Л.: АН СССР, 1956. -110с.

13. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.-Л.: АН СССР, Институт полупроводников, 1956. - 104 с.

14. Гольцман Б.М., Кудинов В.А., Смирнов И.А. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3, . М.: Наука, 1972. - 320 с.

15. Кокош Г.В., Синани С.С. Влияние примесей на термоэлектрические свойства твердого раствора Sb2Te3-Bi2Te3. В кн. Физика твердого тела. М.-Л: АН СССР, 1959, т.1,с.89-99.

16. Айрапетянц С.В.,Ефимова Б.А. Термоэлектрические свойства и характер связей системы Bi2Te3-Sb2Te3. -ЖТФ, 1958, т.28, № 8, с.1768-1774.

17. Кокош Г.В., Синани С.С. Термоэлектрические свойства сплавов псевдобинарной системы Sb2Te3-Bi2Te3. ФТТ, I960, т.2. вып.6, сЛ 118-1124.

18. Иорданишвили Е.К. Термоэлектрические источники питания.-М.:Сов.радио. 1968.-184с.

19. J.Przylutski, K.Borkowski. Doping Bismuth Telluride and its Alloys. -Proc. 3rd Inter.Conf. on Thermoelectric Energy Conversion. -Arlington, Texas, USA, 1980, p. 157.

20. К вопросу о выборе термоэлектрических полупроводниковых материалов для устройств охлаждения РЭА. / А.Л.Вайнер, Э.М.Лукишкер, М.Н.Сомкин, Ю.Е.Спокойный.-Вопросы радиоэлектроники, сер.ТРТО, 1967, № 2, с.47-51.

21. Исследование пластической деформации при горячей экструзии полупроводниковых твердых растворов п- Bi2(Te,Se)3 и p-(Bi,Sb)2Te3 /Н.С.Лидоренко и др. Докл. АН СССР, 1978, т.238, № 2.С.335.

22. Разработка типового элемента базовой конструкции для сборки термоэлектрических охлаждающих устройств. Отчет о НИР (закл.) /МИЭТ. Рук. Айвазов A.A., отв.исп. Штерн Ю.И. "Заряд". Г.р. № 01830007498. Инв. № 02850016907, 1984.-277с.

23. Воронин А.Н. Гринберг Р.З. Термоэлектрические свойства полупроводников. В кн.:Сборник трудов 1-2 Всесоюзных совещаний по термоэлектричеству. Л., 1964,с.80.

24. Термоэлектрические свойства экструзированных сплавов Sb2-xBixTe3 / В.С.Гайдукова, Б.А.Ефимова, О.А.Казанская, Э.Ф.Косолапова.-Неорганические материалы, 1983, т. 19, № 2, с.207-210.

25. Preparation of Oriented Thermoelectric Material./ A.Sher, D.Ilzycer, M.Shiloh, S.Szapiro. Mat.Res.Bull., 1982, Vol.17, pp.899-902.

26. Horst R.B. and Williams L.R. Preparation and Properties of High Perfo-mance (Bi,Sb)2(Te,Se)3, Alloys. Proc. 3rd Inter. Conf. on Thermoelectric Energy Conversion, Arlington, Texas, USA, 1980, p.l 19.

27. Горелик С.С. Рекристаллизация кристаллов и сплавов.-М.: Металлургия, 1967, 140с.

28. Термоэлектрические охладители. / Э.М.Лукишкер, А.Л.Вайнер, М.Н.Сомкин, В.Ю.Водолагин. Под ред. А.Л.Вайнера. М.: Радио и связь, 1983 - 176с.

29. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник. Киев: Наук.думка, 1979 - 768с.

30. Грехов Ю.Н., Шурыгин П.М., Сенаторов A.A. Зонное выравнивание твердых растворов на основе теллурида висмута.-В кн. Технология материалов электронной техники.-Красноярск: Красноярское кн. издательство, 1970, с. 102-107.

31. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.-Л.:АН СССР, I960,-188с.

32. Анухин А.И., Жмурко А.И., Ключников В.П. Твердые растворы на основе халькогенидов висмута и сурьмы. Неорганические материалы, 1983, т.19, № 8, с.1283-1285.

33. Ятманов Ю.В. Разработка методов скоростного охлаждения полупроводниковых расплавов и рентгенографическое исследование структуры двойных и тройных сплавов А В , полученных этими методами: дис.канд.техн.наук. М.,МИЭТ, 1983, 242с.

34. Agi„xCuxTITe a New Low Temperature p-type Thermoelectric Material./ G.Brun, R.M.Ayral-Marin, J.C.Tenedae, B.Pistoulet. 1st European Conference on Thermoelectrics. UWIST, Cardiff, South Wales, 1987.

35. D.M. Rowe, ed., CRC Handbook of Ther-moelectrics (Chemical Rubber, Boca Raton, FL, 1995).

36. G.D. Mahan, in Solid State Physics, edited by H.Ehrenreich and F. Spaepen (Academic Press, Inc., New York, 1997).

37. C. Wood, Rep. Prog. Phys. 51 (1988) p. 459.

38. G.D. Mahan, B.C. Sales, and J.W. Sharp, Phys. Today (1997) p. 42.

39. B.C. Sales, Current Opinion in Solid State and Materials Sciences 2 (1997) p. 284.

40. G.A. Slack, in CRC Handbook of Thermoelectrics, edited by D.M. Rowe (Chemical Rubber, Boca Raton, FL, 1995) p. 407.

41. Ibid., in Solid State Physics, vol. 34, edited by H. Ehrenreich, F. Seitz, and D. Turnbull (Academic Press, Inc., New York, 1979) p. 1.

42. D.G. Cahill, S.K. Watson, and R.O. Pohl, Phys. Rev. В 46 (1992) p. 6131.

43. W. Jeitschko and DJ. Braun, Acta Crystallogr. Sec. В 33 (1977) p. 3401.

44. D.J. Braun and W. Jeitschko, J. Less-Common Metals 76 (1980) p. 147.

45. Ibid., J. Solid State Chem. 32 (1980) p. 357. 55.Ibid., J. Less-Common Metals 76 (1980) p. 33.

46. B.C. Chakoumakos, private communication.

47. N.T. Stetson, S.M. Kauzlarich, and H. Hope. J. Solid State Chem. 91 (1991) p. 140.

48. L.E. DeLong and G.P. Meisner, Solid State Commun. 53 (1985) p. 119.

49. D.T. Morelli and G.P. Meisner, J. Appl. Phys. 77 (1995) p. 3777.

50. G.P. Meisner, M.S. Torikachvili, K.N. Yang, M.B. Maple, and R.P. Guertin, ibid. 57 (1985) p.3073.

51. M.E. Danebrock, C.B.H. Evers, and W. Jeitschko, J. Phys. Chem. Solids 57 (1996) p. 381.

52. G.P. Meisner, Physica 108B (1981) p. 763.

53. S. Zemi, D. Tranqui, P. Chaudouet, R. Madar, and J.P. Senateur, J. Solid

54. Slate Chem. 65 (1986) p. 1. 64.1. Shirotani, T. Adachi, K. Tachi, S. Todo, K. Nozawa, T. Yagi, and M. Kinoshita, J. Phys. Chem. Solids 57 (1996) p. 211.

55. B.C. Sales, D. Mandrus, and R.K. Williams, Science 272 (1996) p. 1325.

56. G.S. Nolas, G.A. Slack, D.T. Morelli, T.M. Tritt, and A.C. Ehrlich, J. Appl. Phys. 79(1996) p.4002.

57. T.M. Tritt, G.S. Nolas, G.A. Slack, A.C. Ehrlich, DJ. Gillespie, and J.L. Cohn, ibid. p. 8412.

58. J-P. Fleurial, A. Borshchevsky, T. Caillat, D.T. Morelli, and G.P. Meisner, in Proc. 15th Int. Conf. on Thermoelectrics (IEEE, Piscataway,NJ,1996)p.91.

59. B.Cnen,J.H. Xu, C. Uher, D.T. Morelli, G.P. Meisner, J-P. Fleurial, T. Caillat, and A. Borshchevsky, Phys. Rev. B 55 (1997) p. 1476.

60. B.C. Sales, D. Mandrus, B.C. Chakoumakos, V. Keppens, and J.R. Thompson, Phys. Rev. В 56 (in press).

61. V. Keppens (private communication).

62. A.J. Sievers, Phys. Rev. Lett. 13 (1965) p. 310.

63. A.D. Caplin, G. Gruner, and J.B. Dunlap, ibid. 30 (1973) p. 1138.

64. G.S. Nolas, G.A. Slack, T. Caillat, and G.P. Meisner, J. Appl. Phys. 79 (1996) p. 2622.

65. C. Kittel, Introduction to Solid State Physics (John Wiley & Sons, Inc., New York, (1968) p. 186.

66. H.J. Goldsmid, Electronic Refrigeration (Pion Limited, London, 1986) p. 29.

67. T. Caillat, A. Borshchevsky, and J-P. Fleurial, Proc. 11th Int. Conf. on Thermoelectrics, edited by K.R. Rao (University of Texas Press, Arlington, (1993) p. 98.

68. J.W. Sharp, E.C. Jones, R.K. Williams, P.M. Martin, and B.C. Sales, J. Appl. Phys. 78 (1995) p. 1013.

69. D. Singh and I.I. Mazin, Phys. Rev. В 56 (1997) p. 1650.

70. Штерн Ю.И. Термоэлектрические охлаждающие устройства с металл-диэлектрическими коммутационными матрицами: дис.канд.техн.наук. -М.,МИЭТ, 1988, 232с.

71. Блинов Г.А., Бутузов С.С., Воженин И.Н. Изготовление анодированных алюминиевых подложек ГИС.-Электронная промышленность, 1976, вып.5(53), с.27-29.

72. Рейсман А., Роуз К. Технология толстых и тонких пленок. Пер. с англ. -М.: Мир, 1972. 176с.

73. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. в 2-х книгах. -М.: Мир, 1984. 456с.

74. Sher A., Ilzycer D., Shiloh M. Preparation and Characterization of Ther-moelectrical materials. Proc. 4-th Inter. Conf. On Thermoelectric Energy Conversion, Arlington, USA, 1982, p.35.

75. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1982. -208с.

76. Штерн Ю.И., Пичугин B.C. Способ коммутации термоэлемента. Патент на изобретение № 2150160. Приоритет от 16.02.1999, 2000.

77. Николаев А.В., Марков Ф.В., Сурин С.В., Лаптев А.В. Программируемая термокамера ТК-400-1: Тез. докл. /Микроэлектроника и информа-тика-98. М.: МИЭТ, 1998, с. 223.

78. Kuan Chen, Scott Gwilliam, Behnem Entezam Heat Transfer Analysis and Optimization of Thermoelectric Cooling Systems // Proceedings of the 12th International Conference on Thermoelectric. Yokohama, Japan. - 1993. -Vol. 3.-P. 395-403.

79. Yong N. Lee Performance of Thermoelectric Air-to-Air Cooler. Impact ofth

80. Heat Exchanger Characteristic // Proceedings of the 12 International Conference on Thermoelectric. Yokohama, Japan. - 1993. - P. 407 -411.

81. Stern Y.I., Aivazov A.A., Makhrachev K.B. Optimization of Thermoelectric Air Chillers Construction // Proceedings of the 14th International Conference on Thermoelectric. St.Peterburg, Russia. - 1995. - P. 449 - 452.

82. Штерн Ю.И., Николаев A.B., Крикун E.A. Боженарь Д.А. Термоэлектрическая климатическая камера // Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. Москва. - 1998. - 4.1. - с.232.

83. B.C.LeSage. Development of a Self-Powered Heater for Low -Temperature Operation. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermo-eiectics, Yokohama, 1993, pp. 578-580.

84. Боженарь Д.А., Тарасов Р.Ю. Конструкция термоэлектрического блока: Тез. докл. /Микроэлектроника и информатика-99. М.: МИЭТ,1999, с.54.

85. Тарасов Р.Ю., Серебренников А.А., Ермишин А.В., Пинин А.Ю. Методика расчета теплообменников для термоэлектрических охлаждающих устройств: Тез. докл. /Микроэлектроника и информатика-99. М.: МИЭТ, 1999, с. 76.

86. R.Sakai, Y.Kobayashi and Y.Ikeda. Proposal for Electronic Air Conditioning Systems Using Semiconductor Thermo-Electric Conversion. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 511-516.

87. Штерн Ю.И., Сурин C.B., Боженарь Д.А. Электронные термометры для контактного измерения температуры: Тез. докл. /XI НТКДатчик-99. Крым, Гурзуф, 1999, с. 123.

88. A.Kato, K.Tsuchida, T.Nagata and H.Nakata. Electrode Materials and Power Density in AMTEC. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 532-536.

89. Штерн Ю.И., Крикун E.A., Боженарь Д.А. Стенд для градуировки датчиков температуры и поверки электронных термометров: Тез. докл. /XI НТК Датчик-99. Крым, Гурзуф, 1999, с. 187.

90. Барабанов Д.Ю., Викулов А.В., Попенко И.В. Разработка алгоритма управления для микропроцессорных блоков, используемых в термическом оборудовании: Тез. докл. /Микроэлектроника и информатика2000. М.: МИЭТ, 2000, с. 137.

91. Боженарь Д.А. Методика исследования энергофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии: Тез. докл. /Микроэлектроника и информатика-2000. М.: МИЭТ, 2000, с. 10.

92. U.Stohrer. Thermoelectricity in Germany: Forschungs- und Anwendergemeinschaft Thermoelektrik (FAT) e.V. Proceedings of the 12 th International Conf. on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 581-586.

93. B.Mathiprakasam, P.Hcenanand D.DeMott. Development of a Small Thermoelectric Water Chiller for Medical Instrument Cooling. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 572-573.

94. Тарасов Р.Ю., Морозов А.А. Разработка программного обеспечения для высокоточных электронных термометров: Тез. докл. /Микроэлектроника и информатика-2000. М.: МИЭТ, 2000, с. 63.

95. J.Buffet. Air Gap Influence on Thermoelectric Units Performances. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 565-568.

96. Штерн Ю.И., Тарасов Р.Ю., Боженарь Д.А. Разработка программного обеспечения для высокоточных электронных термометров: Тез. докл. / "Сенсор 2000" Л.: НИИХ СПбГУ, 2000, с. 244.

97. M.Niino and L.Chen. Projected Research on High-Efficiency Hybrid Direct Energy Conversion System. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 527-531.

98. L.LAnatychuk, S.V.Pervozvansky and V.V.Razinkov. Precise Measurement of Cooling Thermoelectric Material Parameters: Methods, Arrangements and Procedures. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 553-564.

99. Штерн Ю.И., Боженарь Д.А., Тарасов Р.Ю. Термоэлектрический термостат для калибровки и поверки средств измерения температуры: Тез. докл. / "Сенсор 2000" Л.: НИИХ СПбГУ, 2000, с. 243.

100. T.Hrastich, P.Hecnan and B.Mathiprakasam. The Final Development of Aircrew Microclimate Conditioner Systems for U.S. Army Aircraft. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 574-577.

101. A.Koyanagi and M.Hayashibara. Performance Analysis of Thermoelectric Devices. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 517-520.

102. L.I.Anatychuk. Semiconductor Integrating Converters. Proceedings of the 12 th Conf. on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 537-548.

103. W.Zheng, C.Maggi, R.Hoover and W.Lloyd. Thermoelectric Cooling Applied to Petroleum Product Testing. Proceedings of the 12 th Conf. on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 549-552.

104. Штерн Ю.И., Боженарь Д.А. Оптимизация конструкции термоэлектрических охлаждающих устройств Электроника, известия вузов, 2000, №2, с. 80-86.

105. Z.M.Liu, X.P.Zhao, Z.W.Li, G.W.Zhang and W.Y.Quan. The Adhesive Strength Research of Thermoelectric Couple Metallized Layers. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 569-571.

106. G.Knockaert. Recycling: A Must to the Development of New Technologies. Proceedings of the 12 th International Conference on Thermoeiectics, Yokohama, 1993, pp. 587-589.

107. Штерн Ю.И., Тарасов Р.Ю., Боженарь Д.А. Высокоточные электронные термометры: Тез. докл. /Электроника и информатика-XXI век. -М.: МИЭТ, 2000, с. 216.

108. Штерн Ю.И., Марков Ф.В., Боженарь Д.А., Тарасов Р.Ю. Высокоточные температурные технологии Электроника, известия вузов, 2000, №4-5, с. 167-169.

109. Штерн Ю.И., Боженарь Д.А., Тарасов Р.Ю. Термоэлектрические системы для обеспечения тепловых режимов современных компьютеров:

110. УТВЕРЖДАЮ" „Зам.Ген. директора

111. УТВЕРЖДАЮ" Проректорчпо НИРнештехника»1. В. Забеднов- г- с х-' * //'ч\ си;т ь*^ „ -у1. В.А. Бархоткин2000 г.2000 г.

112. АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертационной работы Боженаря Д.А. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тема диссертации «Разработка и исследование конструкции и технологии высокоэффективных термоэлектрических охлаждающих устройств»

113. Ю^<Шештехника» от МИЭТ (ТУ)

114. Кораблин А. Г. —'—Каракеян В.И.1. Талаев А. Г. Будагян Б.Г.1. ИУ~1. Штерн Ю.И.7п

115. УТВЕРЖДАЮ" Генеральный директор ГП Центр «МНТП»и1. АКТоб использовании результатов диссертационнойработы Боженаря Д.А. «Разработка и исследование конструкции и технологии высокоэффективных термоэлектрических охлаждающихустройств»

116. Указанные методики, приборы и оборудование разработаны в рамках научно-технических программ Министерства образования РФ.от ГП Центр «МНТП»

117. УТВЕРЖДАЮ ЗАМЕСТИТЕЛЬ ГЕНЕРАЛЬНОГО ДИРЕКТОРА ПО НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ И ПЛАНОВО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ РАБОТЕ, ЗАМЕСТИТЕЛЬ ГЕНЕРАЛЬНОГО КОНСТРУКТОРА1. ГУПНПЦ АПв. А. НЕМКЕВИЧ 2000 г.- ДКТоб использовании результатов диссертационной работы Боженаря Д.А.