автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Термоэлектрические устройства и оборудование для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники

005003292

ШТЕРН МАКСИМ ЮРЬЕВИЧ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.27.06 - технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Москва 2011

005003292

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и физическая химия» в Национальном исследовательском университете "МИЭТ"

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор

Шерченков Алексей Анатольевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, член-корр.

РАЕН, профессор

Освенский Владимир Борисович

- доктор технических наук, профессор

Раскин Александр Александрович

Ведущая организация:

Федеральное космическое агентство. Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика H.A. Пилюгина» (ФГУП «НПЦАП»)

Защита диссертации состоится «22 » 2011 г.

в ¡6 часов oOvwa на заседании диссертационного совета Д.212.134.03 в Национальном исследовательском университете "МИЭТ" по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан <</7_» 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета:

доктор физико-математических наук,

профессор

лковлев В.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Значительный прогресс в области конструирования вычислительных систем с высокой производительностью обусловил необходимость создания эффективного теплообмена для электронных компонентов, в том числе процессоров с повышенной степенью интеграции и все более высокой тактовой частотой. Увеличение интеграции полупроводниковых элементов в микросхеме приводит к увеличению плотности тепловых потоков на единицу поверхности, а уменьшение размеров кристаллов интегральных схем снижает возможность эффективного отвода тепла. Так как производительность компьютеров в значительной мере зависит от температуры электронных компонентов, устройства охлаждения становятся необходимой и важной частью современных компьютеров.

Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных тепловых режимов вычислительной техники ведутся многими исследовательскими лабораториями. Существует большое количество решений охлаждения процессоров, предлагаемых, в том числе, фирмами производителями этих процессоров. В последнее время в вычислительной технике активно применяются системы охлаждения, которые могут использовать в качестве теплоносителя воду или газ, а также применять термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ).

Анализируя известные конструктивные решения для охлаждения компьютеров, с учетом тенденций развития высокопроизводительной вычислительной техники, можно сделать вывод о том, что термоэлектрические системы (ТЭС) охлаждения являются наиболее перспективными для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники, это определяется несколькими причинами. Во-первых, ТЭС обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения и тер-м'остатирования, например: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, небольшими габаритами и весом, возможностью локального охлаждения, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования температуры. Во-вторых, интенсификация исследований в области термоэлектричества и достигнутые успехи в технологии ТОУ позволили создавать термоэлектрические модули (ТЭМ) с максимальной разностью температур до 74 К. В-третьих, высокая экологичность и безопасность, несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТЭС по сравнению с другими системами охлаждения. С помощью ТОУ возможно получение

низких температур, что позволяет значительно увеличить производительность процессоров. Используя ТЭМ различных типоразмеров можно проектировать термоэлектрические блоки (ТБ) с различной конфигурацией и повышенной холодопроизводительностью, что особенно актуально для высокопроизводительных вычислительных систем.

Однако создание эффективных ТЭС для вычислительной техники требует решения ряда сложных научно-технических проблем, рассмотрим основные их них. Известные конструктивно-технологические решения ТОУ по ряду причин не удовлетворяют современным требованиям эффективного отвода тепла. В частности, для создания эффективных ТЭС необходимы оригинальные конструкторские решения ТБ, обоснованные методиками расчета элементов конструкции, учитывающими, в том числе, работу ТБ в режиме термоциклирования. Кроме того, отсутствует термоэлектрическое оборудование с высокой холодопроизводительностью, необходимое для обеспечения тепловых режимов высокопроизводительной вычислительной техники.

В подавляющем большинстве случаев модули функционируют при таких температурах, когда неизбежно образование влаги на элементах конструкции ТЭМ, что в значительной степени снижает надежность и, соответственно, ресурс работы ТЭМ. Таким образом, крайне важным является вопрос защиты термоэлектрических модулей.

Эффективность ТОУ в значительной мере зависит от качества и режимов электропитания. Известно негативное влияние пульсаций питающего тока на параметры ТОУ. Однако анализ научно-технической литературы показал, что исследований влияния параметров питания на эффективность термоэлектрических устройств, чрезвычайно мало, к тому же большинство из них ограничиваются приближенными расчетами.

В термическом оборудовании, как правило, используются микропроцессорные системы (МС) автоматического управления. Однако сопряжению этих систем с объектами управления, а также моделированию МС управления термическими объектами не уделено достаточно внимания. Слабо представлены разработки программного обеспечения, реализующие сервисные установки МС и информационное взаимодействие термического оборудования с персональным компьютером.

Наконец, для проведения комплексных исследований ТЭС необходимо разработать высокоточные методики и современные измерительные комплексы, позволяющие, в том числе, проводить исследования дистанционно и в автоматическом режиме.

Таким образом, разработка конструкционно-технологических решений ТОУ и оборудования, предназначенных для обеспечения тепловых режимов вычислительных систем, разработка технологии герметизации ТЭМ, исследование влияния параметров питания на эффективность ТОУ, разработка аппаратно-программных средств для управления тепловыми процессами, разработка высокоточных методик и современных измерительных комплексов для исследования ТЭС является актуальной научно-технической задачей, решение которой обеспечит оптимальные температурные режимы электронных компонентов, и позволит повысить надежность и производительность вычислительной техники.

Цель диссертационной работы - разработка и исследование эффективных термоэлектрических устройств и оборудования для обеспечения оптимальных тепловых режимов электронных компонентов компьютеров и вычислительных систем, что позволит повысить надежность и производительность вычислительной техники.

Термоэлектрическое оборудование рассматривается, как термоэлектрическая система, представляющая собой целостное образование, состоящее из конструктивных элементов, теснейшим образом взаимосвязанных между собой. Поэтому реализация поставленной цели требует системного подхода к процессу исследований.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать ряд эффективных конструкционно-технологических решений термоэлектрических устройств и оборудования, предназначенных для обеспечения оптимальных тепловых режимов, как тепловыделяющих компонентов компьютеров, так и высокопроизводительных вычислительных систем;

- провести оптимизацию конструкции ТБ, разработать методику расчета размеров теплопровода и определить способ его установки;

- разработать методику расчета, конструкцию и изготовить ТБ для ТЭС с высокой холодопроизводительностью;

- провести моделирование функциональных характеристик термоэлектрического оборудования, с целью оптимизации математических моделей управления этим оборудованием, разработать алгоритмы и ап-паратно - программные средства для реализации полученных математических моделей в МС управления термическим оборудованием;

- разработать методики и математические модели для расчета влияния герметизации на основные параметры ТЭМ;

- разработать технологию герметизации ТЭМ, изготовить и провести комплексные исследования герметичных термоэлектрических модулей;

- провести комплексные теоретические и экспериментальные исследования влияния режимов и параметров питания на эффективность ТОУ;

- используя результаты диссертационных исследований разработать и изготовить ТЭС для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники различной производительности;

- разработать методики и измерительные комплексы и провести исследования функциональных и эксплуатационных характеристик ТЭМ и ТЭС, созданных в рамках диссертационной работы, провести сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании системного, научно-обоснованного подхода к созданию и исследованию термоэлектрических устройств и оборудования, предназначенных для обеспечения оптимальных тепловых режимов, как тепловыделяющих компонентов компьютеров, так и высокопроизводительных вычислительных систем.

1. Предложены и обоснованы новые конструкционно-технологические решения ТЭС для обеспечения тепловых режимов, включающие локальные и автономные ТОУ для тепловыделяющих электронных компонентов и компьютеров в целом, а также термоэлектрическое оборудование с повышенной холодопроизводительностью для высокопроизводительных вычислительных систем.

2. Предложены методика и математические модели для расчета влияния различных стадий герметизации на основные параметры ТЭМ. Проведенные исследования показали хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных.

3. Впервые предложена технология двойной герметизации термоэлектрических модулей, значительно повышающая надежность и механическую прочность ТЭМ. Определены материалы и обоснованы технологические способы и режимы герметизации ТЭМ.

4. Впервые предложено использование нового конструктивного элемента (теплопровода) в составе ТОУ. Обоснованы целесообразность и технология его установки в ТОУ. Разработана методика для расчета параметров теплопровода. С использованием предложенных математических моделей установлено влияние теплопровода на основные характеристики (разность температур и холодопроизводительность) ТОУ.

5. Разработаны методики и математические модели расчета влияния режимов и параметров питания на основные характеристики ТОУ. Проведенные комплексные теоретические и экспериментальные исследования влияния режимов и параметров электрического питания на эффективность ТОУ показали хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных.

6. Усовершенствована математическая модель пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования введением адаптивных коэффициентов, предназначенных для корректировки вкладов интегральной и дифференциальной составляющих управляющего воздействия. Для оптимизации процесса стабилизации заданной температуры в математическую модель управления введена также дополнительная составляющая, значение которой определяется воздействием внешних факторов. Экспериментально подтверждена эффективность использования предложенной математической модели в микропроцессорных системах управления термическим оборудованием.

Новизна научно-технических решений, предложенных в диссертационной работе, защищена 2 патентами на изобретения.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке и внедрении следующих результатов:

1. Для метрологического обеспечения контроля параметров ТЭС при их исследовании и производстве разработаны следующие методики и измерительные комплексы:

- методика и измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических устройств;

- методики и измерительный комплекс для исследования влияния режимов и параметров электропитания на характеристики ТОУ;

- методика исследования ТЭМ на надежность;

- методика испытания ТЭМ на механическую прочность;

- методика климатических испытаний термоэлектрических модулей;

- методика испытаний ТЭМ при избыточном давлении;

- методика и стенд для исследования теплообменников ТЭС;

- программно-реконфигурируемый измерительный комплекс для исследования средств измерения температуры и ТЭС,

2. Предложенные в диссертационной работе конструкторские и технологические решения ТОУ и оборудования для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники значительно улучшают характеристики вычислительной техники, делают их работу надежной и стабильной, повышают быстродействие.

3. Разработана технологическая документация для серийного производства герметичных ТЭМ. Подготовлена производственная инфраструктура и осуществляется выпуск герметичных ТЭМ, предназначенных для обеспечения тепловых режимов вычислительных блоков. Герметизация модулей позволяет значительно повысить их эксплуатационные характеристики, как для гражданского, так и военного применения.

4. Разработана новая конструкция ТБ, позволяющая увеличить эффективность ТОУ, а именно максимальный градиент температур, холо-допроизводительность и снизить потребляемую мощность.

5. Определены критерии конструирования источников питания постоянного тока, учитывающие взаимосвязь между пульсациями напряжения питания и потерями в основных параметрах ТОУ.

6. Показано, что разработанные математические модели и аппаратно-программные средства регулирования тепловыми процессами, позволяют повысить эффективность микропроцессорных систем управления термоэлектрическим оборудованием.

7. Разработаны конструкции и изготовлены образцы ТОУ для локального охлаждения, которые устанавливаются непосредственно на тепловыделяющие электронные компоненты компьютера, например, процессор.

8. Разработаны конструкции и изготовлены образцы автономных ТЭС, предназначенных для обеспечения тепловых режимов, как электронных компонентов, так и компьютера и вычислительной системы в целом.

9. Разработана конструкция и изготовлена установка с высокой хо-лодопроизводительностью, предназначенная для обеспечения тепловых режимов высокопроизводительных вычислительных систем.

10. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Национальном исследовательском университете "МИЭТ" при подготовке лекций и лабораторного практикума по дисциплинам: «Полупроводниковые преобразователи энергии», «Материалы электронной техники», «Термометрия», «Физика и химия полупроводников», «Конструирование и технология ТЭС».

11. Предложенные и разработанные в диссертации технологии, методики и измерительные комплексы, ТЭМ и ТЭС, МС управления и аппаратно-программные средства внедрены в промышленность. Акты внедрения прилагаются.

Новизна и практическая значимость технических, технологических и аппаратно-программных решений, используемых в диссертационной

работе, подтверждена 8 патентами и свидетельствами о государственной регистрации программного продукта.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Системный, научно обоснованный подход к разработке конструктивно-технологических решений ТОУ и оборудования для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники.

2. Метрологическое обеспечение исследований и производства термоэлектрических устройств и оборудования, включающее ряд разработанных методик и измерительных комплексов, предназначенных для исследования теплофизических параметров ТЭМ, функциональных и эксплуатационных характеристик ТЭС.

3. Результаты исследований разработанных термоэлектрических устройств и оборудования, которые доказывают эффективность применения ТОУ для обеспечения оптимальных температурных режимов вычислительной техники.

4. Результаты комплексных исследований и испытаний герметизированных ТЭМ, определяющие значительное повышение эксплуатационных характеристик ТЭМ. Математические модели для расчета влияния герметизации на основные характеристики ТЭМ.

5. Результаты комплексных теоретических и экспериментальных исследований влияния режимов и параметров питания на основные характеристики ТЭМ, определяющие критерии проектирования источников питания для ТОУ.

6. Эффективные ТОУ и термоэлектрическое оборудование для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники различной производительности, аппаратно-программные средства для: систем мониторинга и управления температурными процессами и реконфигурируемых измерительных комплексов.

Результаты диссертационной работы использованы в следующих НИР, проводимых по заданию Минобрнауки РФ: № 924-ГБ-061-РНП; № 929-ГБ-081-РНП; № 931-ГБ-081-РНП; № Ц-2009-1.1.000-078-16; №16.516.11.6041; № 16.516.11.6067.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на 6 Международных и 5 Всероссийских НТ конференциях: 12-14,17,18 Всеросс. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика».М, 2005-2007, 2010,2011гг; Междун. НТ конф. «Микроэлектроника и наноинженерия-2008».- М., 2008; Х-ХИ Междун. НТ

конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века». Воронеж, 2009, 2010,2011гг; Междун. НТ конф. М., 2006 г., МИРЭА

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 27 научных работах, в том числе: в 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, в 2 патентах на изобретения и 6 свидетельствах о регистрации программного обеспечения.

Личный вклад

Личный вклад автора являлся основополагающим на всех стадиях проведения исследований и состоял в определении целей и постановке задач исследований, обосновании способов их осуществления, непосредственном выполнении значительной части экспериментов, отработке технологических операций, проектировании устройств и оборудования, систематизации и анализе полученных результатов и внедрении результатов диссертации, в том числе, в серийное производство.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объем диссертации составляет 208 страниц машинописного текста, включая 6 таблиц, 42 рисунка, список использованных источников составляет 175 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи, определена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены тенденции развития вычислительной техники, способы и устройства обеспечения тепловых режимов компьютеров. Отмечено, что решение задач диссертационного исследования требует системного подхода в конструировании ТОУ. Термоэлектрическое оборудование рассматривается, как термоэлектрическая система, представляющая собой целостное образование, состоящее из конструктивных элементов, теснейшим образом взаимосвязанных между собой.

Важнейшей задачей эффективного применения изделий электронной техники является обеспечение тепловых режимов электронных компонентов. Особенно это актуально для вычислительной техники, где производительность компьютеров в значительной мере зависит от температуры электронных компонентов. Увеличение интеграции полупроводниковых элементов в микросхеме приводит к увеличению плотности

тепловых потоков на единицу поверхности, а уменьшение размеров кристаллов ИС снижает возможность эффективного отвода тепла. Анализируя известные устройства охлаждения компьютеров, с учетом тенденций развития высокопроизводительной вычислительной техники, можно сделать вывод о том, что ТЭС охлаждения являются наиболее перспективными для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники, это определяется рядом причин, рассмотренных во введении.

Анализ современного состояния термоэлектрического материаловедения позволяет сделать вывод, что твердые растворы на основе Bi2Te3 являются наиболее эффективными материалами для ТОУ и имеют величину Z = (3,2 + 3,5) 10'3 К"1. В данной работе использовались ТЭМ, в которых термоэлементы изготовлены из оптимальных, с нашей точки зрения материалов, имеющих следующий состав: Bi2Te2,ss^o,i2, легированных CdCl2 (0,11 вес. %) - и-типа и Bi0}s2Sbl48Te1, легированных Те (3 вес. %) и Те/j (0,14 вес. %) - р-типа и полученных зонной плавкой и экструзией соответственно.

В 1 главе показано, что известные конструктивно-технологические решения ТОУ по ряду причин, не удовлетворяют современным требованиям эффективного отвода тепла. В том числе отсутствуют ТЭС с высокой холодопроизводительностью, необходимые для обеспечения тепловых режимов высокопроизводительной вычислительной техники. Проведенный системно-структурный анализ современных проблем создания эффективных ТОУ позволил определить основные задачи диссертационного исследования, представленные во введении.

Во второй главе представлено несколько вариантов построения ТОУ для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники, в которых реализованы новые конструкторские, аппаратно-программные и технологические решения. В работе решен вопрос не только с охлаждением электронных компонентов, но и высокопроизводительных вычислительных систем.

Локальные ТОУ, устанавливаются непосредственно на тепловыделяющий компонент компьютера, например, процессор. На рис. 1 представлена структурная схема локального ТОУ. На схеме на процессоре (1) устанавливается ТЭМ (3) через теплопровод (2). Горячие спаи ТЭМ охлаждаются теплообменником (4) со встроенным вентилятором (5). Для определения температуры процессора и холодного спая ТЭМ используются датчики (6), подключенные к блоку измерения температуры и управления ТЭМ (7). Питание ТЭМ осуществляется от источника постоянного тока (8). Рассмотренная конструкция ТОУ эффективно отво-

дит тепло от активных электронных компонентов компьютера. Недостатком данных устройств является то, что тепло, отводимое от процессора, рассеивается внутри системного блока.

Увеличить эффективность локальных ТОУ возможно используя конструкцию, представленную на рис. 2. Охлаждение горячих спаев ТЭМ осуществляется жидкостным теплообменником (4), в котором с помощью помпы (9) циркулирует теплоноситель, подготовленный в жидкостно - воздушном теплообменнике (10).

Рисунок 1 - Структурная схема ТОУ для охлаждения процессоров

Рисунок 2 - Структурная схема ТОУ с жидкостно-воздушным охлаждением горячих спаев

Этот теплообменник вместе с вентиляторами (5) устанавливается на корпусе системного блока таким образом, что горячий воздух выбрасывается через вентиляционные отверстия в окружающую среду. Преимуществами локальных ТОУ является малая инерционность,

Для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники с высокой производительностью и, соответственно, с повышенными тепловыделениями требуется увеличение холодопроизводительности ТОУ. В этом случае целесообразно охлаждение тепловыделяющих компонентов или рабочего объема вычислительной системы в целом осуществлять с помощью жидкостного теплоносителя, подготовленного ТОУ. Для этих целей нами разработаны автономные ТЭС. В данной работе предложено несколько вариантов конструкций автономных ТЭС, макеты которых были изготовлены и проведено их исследование. На рис. 3 представлена схема однокаскадной автономной ТЭС, которая может быть использованы для охлаждения нескольких электронных компонентов компьютера, например, процессоров.

Для снижения инерционности и увеличения эффективности охлаждения электронных компонентов компьютера разработана двухкас-

кадная конструкция ТЭС, структурная схема которой представлена на рис. 4. Здесь ТЭМ устанавливаются непосредственно на процессор.

Рисунок 3 - Структурная схема однокаскадной автономной ТЭС

Рисунок 4 - Структурная схема двухкаскадной автономной ТЭС

Разработан также ряд конструкторских решений ТБ с высокой холо-до производительностью с жидкостно - воздушным охлаждением горячих спаев. Общую концепцию построения таких систем можно рассмотреть на примере конструктивного решения ТЭС, представленной на рис. 5. В составе ТЭС предусмотрены два контура подготовки теплоносителя. В первом контуре с помощью помпы (9) циркулирует теплоноситель, охлаждаемый в теплообменнике (11), и обеспечивающий посредством теплообменников (10) теплоотвод от активных электронных

блоков или поддержание заданного температурного режима в рабочем объеме, где расположены электронные приборы.

Рисунок 5 - Структурная схема автономной ТЭС с высокой холодо-производительностью

Во втором контуре с помощью помпы (12), через теплообменники (4) и (13), циркулирует теплоноситель, предназначенный для охлаждения горячих спаев ТЭМ. Такая ТЭС реализована нами при создании автоматизированной установки обеспечения тепловых режимов высокопроизводительных вычислительных систем (рис. б). Термоэлектрическая установка, имеет четыре контура. Первый контур - «холодного теплоносителя» предназначен для подготовки теплоносителя с заданной температурой. Второй контур - «горячего теплоносителя» предназначен для охлаждения горячих спаев ТЭМ. Третий контур «избыточного давления» - для регулирования давления теплоносителя от нормального до 3 атмосфер. Четвертый контур предназначен для удаления теплоносителя.

Термоэлектрическая установка функционирует в автоматическом режиме. Предложена и реализована методика для расчета ТБ с высокой холодопроизводительностью, учитывающая номинальный и экономичный режимы работы установки.

С целью повышения эффективности ТОУ, обосновано использование в конструкции ТБ нового элемента - теплопровода. С учетом распределения тепловых потоков в ТБ предложен способ установки теплопровода. Разработана методика расчета оптимальной высоты теплопровода, позволяющая получить максимальный эффект от его использования. Применение теплопровода позволяет увеличить разность темпера-

тур и холодопроизводительность ТОУ, и уменьшить потребляемую электрическую мощность.

Для МС управления термическим оборудованием, в том числе, ТЭС, предложена усовершенствованная математическая модель ПИД закона регулирования. Современные автоматические системы управления построены на основе микропроцессорной техники и реализуют цифровые, а значит дискретные методы измерения и управления. Тогда, с учётом того, что функция Р(т) имеет дискретные значения, математическая модель регулирования будет иметь следующий вид:

в ■•г-);(г- •т-). с.)

1=1 I

где Р(У - электрическая мощность; Т0 - заданная температура; Гг -текущая температура; е(т) = Тв -Тт - отклонение температуры от заданной в текущий момент времени; кр - коэффициент пропорциональности, определяющий уровень электрической мощности для текущего значения е(т)\ т,- - постоянная времени интегрирования, определяющая уровень электрической мощности, с учётом интеграла по е(т) на текущий момент времени; т0 - постоянная времени дифференцирования, определяющая уровень электрической мощности с учётом скорости изменения г(х)\ т5 - отрезок времени, включающий время измерения регулируемого

параметра и время расчёта управляющего воздействия, а тп = rsn - текущее время расчёта управляющего воздействия (я = 1, 2 ... со).

В математической модели (1) коэффициенты К, и KD предназначены для корректировки вкладов интегральной и дифференциальной составляющих управляющего воздействия. Процесс выхода на режим при использовании математической модели (1) представлен на рис. 7а. Так как в этом случае параметры регулятора имеют постоянные значения для всех стабилизируемых в рабочем диапазоне температур, то, определяя значение этих параметров, например, для температуры Т03, будем иметь значительное перерегулирование для других стабилизируемых температур (рис. 7а: Т0] и Тог). Для оптимизации выхода на режим термического оборудования, нами предлагается в математической модели (1) определять параметры регулятора для каждого значения задаваемой температуры (Tqj), используя уравнения (2-4), то есть адаптировать параметры регулятора к значениям Toj во всем рабочем диапазоне. Коэффициенты а, Ь, с в уравнениях (2+4) определяются методом наименьших квадратов. Расчет этих коэффициентов производится с помощью разработанного программного обеспечения и в автоматическом режиме по интерфейсу RS-232 или USB происходит их загрузка в МС ТЭС.

Таким образом, удается оптимизировать выход термического оборудования на заданную температуру (T0j), во всем диапазоне рабочих температур при соблюдении высокой точности стабилизации заданной температуры (рис.7б).

Термическое оборудование регулирует температуру относительно окружающей среды. В связи с этим, для оптимизации процесса стабилизации температуры, в математическую модель управления (1) введена дополнительная составляющая, значение которой не зависит от текущей регулируемой температуры, а определяется внешними факторами: температурой окружающей среды и температурой теплообменников.

Предлагаемая математическая модель управления, оперативно учитывающая изменение окружающей среды, будет иметь следующий вид:

= + + (5)

где Т"р - температура окружающей среды в момент времени т„.

На рис. 8 представлено изменение стабилизируемой температуры при воздействии внешних факторов - изменения температуры окружающей среды. Математическая модель (5) позволяет оперативно реагировать на

внешние воздействия и снижает величину разбаланса термического оборудования (кривая 3). В этом случае значение стабилизируемой температуры не превышает абсолютную погрешность поддержания заданной температуры (ДТ).

а 6

/ 1 / 1 /Л - 1 / 1 / 1 / - 1 70 +а7 г; =—-- ВДу+С, (2);

// 11 /Л Л 11 // ~ И // 11 1/ '1 (3);

/ \Л |!1 V 1 1 1 11 // ~ - | 1 1 // 14 V I ч Г0 +а0 т0 =—--- (4).

Рисунок 7 - Диаграмма выхода на режим термического оборудования

а

1 . т задержки |

' : V : :/ ; * б ДТ

V4— . /г?. _.

\ ! Ч ✓

Рисунок 8 - Диаграмма изменения стабилизируемой температуры при воздействии внешних факторов: 1 - модель (1) с постоянными параметрами ПИД - регулятора, 2 - математическая модель (1) с адаптивными параметрами ПИД - регулятора, 3 - математическая модель (5)

Для реализации предложенных математических моделей в МС управления разработаны соответствующие алгоритмы и аппаратно - программные средства.

В третьей главе предложена технология двойной герметизации ТЭМ, значительно повышающая их надежность и механическую прочность. По результатам анализа и проведенных исследований выбраны два герметика: алкидно-эпоксидно-уретановый лак УР - 231 для нанесения на внутренние поверхности модуля и кремнеорганический герметик ВГО - 1 для герметизации ТЭМ по периметру. Технологический процесс включает две стадии (рис. 9):

1. Герметизация внутренних поверхностей ТЭМ заключается в нанесении защитного покрытия из лака УР-231 на ветви термоэлементов и внутренние поверхности коммутационных матриц.

2. Внешняя защита производится по периметру ТЭМ с помощью герметика ВГО-1.

Для расчета влияния различных стадий герметизации на основные параметры ТЭМ предложены методика и математические модели, полученные из уравнений теплового баланса термоэлемента. Для определения суммарного влияния двух стадий герметизации на максимальную разность температур (АТ,пах) получена следующая математическая модель:

Рисунок 9 - Термоэлектрический модуль с двойной герметизацией

где Х„, ХРъ Ад и Хг- коэффициенты теплопроводности материалов ветвей

(я„ + я,)|д С +ЛМ ^АС + яг ^д г;

шах

термоэлемента, лака и герметика; 5, Бд 5Г - площадь поперечного сечения ветви термоэлемента; лака и герметика, в пересчете на 1 термоэлемент; / - длина ветви термоэлемента; ДТ тах- максимальная разность температур ТЭМ с двойной герметизацией.

Для определения потерь холодопроизводительности ТЭМ после герметизации предложена следующая математическая модель:

(Я„ + Я„)5 АТ" г, \ 1

де = / ДТ-~-[(Лп + Л/>)8 + Л^л + Хгэг] ■

По результатам математического моделирования установлено, что после первой стадии герметизации, лаком УР - 231, максимальная разность температур (ДТтах) снижается на 0,96%, а после второй стадии герметизации, суммарные потери по ДТгаах составляют 3,66%

В процессе отработки технологии проводились измерения ДТгаах ТЭМ 1.0-1.3/71 до герметизации, и после каждой стадии герметизации (рис. 10.): ДТ гоах - после покрытия УР - 231 ветвей термоэлементов и ДТ тах - после герметизации модулей по периметру ВГО - 1. Полученные значения составили: ДТтах = 68,97°С при напряжении - 9В и токе -3,48А. Максимальная ДТ модуля, покрытого УР-231, ДТ тах = 68,28°С, т.е. потери по ДТ составляют 0,69"С. После двойной герметизации ТЭМ, ДТ "тах = 66,27 °С, т.е. суммарные потери по ДТтах составляют

Рисунок 10 - Зависимость температуры холодного спая и ДТ ТЭМ 1.0-1.3/71 до и после герметизации

Полученные результаты показали хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных.

ТЭМ с двойной герметизацией успешно прошли комплексные испытания: тепло - и электрофизических параметров, механической прочности, климатические и на стойкость к воздействию спецфакторов, а также на надежность. Разработана технологическая документация и осуществляется серийный выпуск герметичных ТЭМ. Герметизация модулей позволяет значительно повысить их эксплуатационные характеристики, как для гражданского, так и военного применения.

В четвертой главе проведено математическое моделирование влияния пульсаций, содержащихся в постоянном токе, на основные параметры термоэлемента для различных режимов питания. В результате получены математические модели для расчета потерь по холодопроиз-водительности и ДТ при питании постоянным током, содержащим периодические синусоидальные пульсации. При питании термоэлемента от источника напряжения потери по холодопроизводительности будут определяться следующим образом:

ПУпостАт«а(шт) . Umcn2Am2 sin2 (<вт) E„rJU„acmAmsin(a)r) Д£?0 ="П---+---+-ñ ^

кшз ктэ "тэ птэ

где П - коэффициент Пельтье; А„ - уровень пульсаций; U„mm Inacm - постоянные составляющие напряжения и тока; f(r) = sin(cor) - функция, описывающая синусоидальные пульсации в постоянном токе; Rm3 и Ет электрическое сопротивление и термоЭДС ветвей термоэлемента.

Уменьшение Q0 соответствует увеличению теплового потока, выделяемого горячим спаем термоэлемента и равного дополнительной составляющей тепла Джоуля, определяемой пульсациями.

При питании термоэлемента от источника тока потери по АТ будут определяться:

ST = 1п0отАтsi"(®г) + ^тэ1пост ¿msin(fflr) + пост2Ат2sin2(о>т) •

Таким образом, показано, что уменьшение ДТ и холодопроизводительности пропорционально квадрату амплитуды переменной составляющей тока или напряжения. Снижение эффективности термоэлемента связано с дополнительной составляющей тепла Джоуля, определяемой пульсациями, и не компенсируемой теплом Пельтье.

Для комплексного исследования влияния режимов и параметров электропитания на теплофизические характеристики ТОУ разработана оригинальная методика и программно - реконфигурируемый измерительный комплекс. Результаты исследования зависимости потерь по ДТ

для ТЭМ 1,4 - 1,6/127 при различных значениях постоянной и переменной составляющих напряжения питания представлены на рисунках 11 и 12. Исследования проводились при напряжениях от 6 до 15 В, и при уровнях пульсаций, изменяемых от 0,3 до 40 °/о. На рис. 11 сплошные линии - результаты экспериментальных исследований, пунктирные линии - данные моделирования. Как видно из рис. 11, расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 15 %.

Полученные результаты позволяет оптимизировать параметры источников питания ТЭМ. Установлено, что при создании ТОУ, предназначенных для регулирования температуры на уровне 0,1 °С, должны использоваться источники с пульсациями не превышающими (1-2) %.

Рисунок 11 - Зависимость измене- Рисунок 12 - Зависимость изменил ДТ от уровня пульсаций нения ДТ при пульсациях до 10%

В пятой главе отмечено, что для метрологического обеспечения диссертационных исследований разработаны следующие методики и измерительные комплексы:

- методика и измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических устройств;

- методики и измерительный комплекс для исследования влияния режимов и параметров электропитания на характеристики ТОУ;

- методика исследования ТЭМ на надежность;

- методика для испытания ТЭМ на механическую прочность;

- методика климатических испытаний термоэлектрических модулей;

- методика испытаний ТЭМ при избыточном давлении;

- методика и стенд для исследования теплообменников ТОУ;

- программно-реконфигурируемый измерительный комплекс

для исследования средств измерения температуры и ТЭС.

В процессе реализации метрологического обеспечения диссертационных исследований предложена концепция построения реконфигури-руемых измерительных комплексов. Концепция базируется на системной интеграции технических и программных средств.

Разработанные методики и измерительные комплексы использованы для комплексных исследований созданных в диссертационной работе ТЭМ, ТОУ и аппаратно-программных средств ТЭС.

На рис. 13, 14 представлены нагрузочные характеристики ТЭМ, которые использовались нами при конструировании ТЭС для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники.

Рисунок 13 - Нагрузочные характеристики ТЭМ 1,0-1,3/71

Рисунок 14 - Нагрузочные характеристики ТЭМ 1,4-1,6/127

Результаты исследования холодопроизводительности до герметизации - сплошная линия и после герметизации - пунктирная линия. Штрих - пунктирной линией показаны расчетные значения холодопроизводительности, полученные с использованием математической модели, предложенной в главе 3. Экспериментальные исследования показали, что снижение холодопроизводительности после герметизации колеблется в пределах 2 - 3 % в зависимости от конструктивных особенностей ТЭМ. Сравнивая результаты экспериментальных исследований и расчетные значения, можно отметить их хорошую корреляцию.

Разработаны конструкции, изготовлены образцы и исследованы локальные ТОУ для охлаждения процессоров. Результаты исследований ТОУ, для процессоров в корпусе FC-PGA и Slot 1, представлены на рис. 15. Там же приводятся результаты испытаний процессора, на котором установлен штатный воздушный кулер компьютера (кривая 1). Результаты исследований локальных ТОУ представлены кривыми 2 и 3 - ТОУ для FC-PGA процессоров и кривыми 4 и 5 - ТОУ для Slotl процессоров, для напряжений 5 и 12В, соответственно. Из результатов исследований видно, что локальные ТОУ обеспечивают значительно более эффективное охлаждение, чем традиционно используемые кулеры.

Рисунок 15 - Зависимости раз- Рисунок 16 - Диаграмма выхода

ности температур процессора и на режим автономной термоэлек-окружающей среды (АТ) от трической системы выделяемой мощности

Разработаны конструкции, изготовлены образцы и проведено исследование автономных ТЭС, которые могут быть использованы для вы-

числительной техники с повышенной производительностью. Результаты исследований ТЭС, конструкция которой соответствует структурной схеме рис.3, представлены на рис. 16. Исследования проводились при различной мощности имитатора процессора: от 60 до 100 Вт.

Результаты исследований показали, что при тепловой нагрузке 60 Вт (кривая 1) температура процессора минус 15 °С. При нагрузке 83 Вт (кривая 2), минимальная температура 13 °С. При 100 Вт, температура процессора не превышает температуры окружающей среды (кривая 1).

Разработана конструкция, изготовлена и проведены исследования установки с высокой холодопроизводительностью, предназначенной для обеспечения тепловых режимов в высокопроизводительных вычислительных системах. На рис. 17 представлена диаграмма выхода на заданный режим термоэлектрической установки при различных мощностях тепловой нагрузки, имитирующей тепловыделения электронных блоков.

Температура в контуре "горячего теплоносителя"

Температура в рабочем объеме

-Е^ЩШс.

Р-700 Вт Температура в

контуре "холодного теплоносителя"

О 5 10 15 20 25 30 35 т, мин

Рисунок 17- Диаграмма выхода термоэлектрической установки на заданный температурный режим

На диаграмме указаны значения температуры: теплоносителей в "горячем" и "холодном" контурах и температуры в рабочем объеме (см. рис.6). Проведенные исследования показали, что максимальная холодо-производительность ТОУ при минимальных температурах теплоносителя от 4 до 7°С превышает 700Вт. Температура в рабочем объеме, где

размещаются электронные вычислительные блоки, стабилизировалась на заданном значении, равном 20°С, при тепловой нагрузке до 700Вт.

Таким образом, предложенные в данной работе и реализованные на практике различные конструкторские решения термоэлектрических устройств и термоэлектрического оборудования, подтвержденные расчетами по предложенным в диссертации методикам, и использующие новые элементы конструкции и технологию ТЭМ, показали высокую эффективность их применения для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники. Кроме того, созданы ТЭС с высокой холодопро-изводительностью, позволяющие осуществлять эффективный теплообмен в высокопроизводительных вычислительных системах.

Основные результаты и выводы

1. Предложены и обоснованы конструкционно-технологические решения и изготовлены ТЭС для обеспечения тепловых режимов, включающие локальные и автономные термоэлектрические устройства для тепловыделяющих электронных компонентов и компьютеров в целом, а также термоэлектрическое оборудование с повышенной холодопроиз-водительностью для высокопроизводительных вычислительных систем.

2. Результаты исследований ТЭС, разработанных в диссертации и реализованных на практике, показали эффективность их использования для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники. Применение ТЭС существенно улучшает характеристики вычислительной техники, делает их работу надежной и стабильной.

3. Разработана конструкция и методики расчетов термоэлектрических блоков с высокой холодопроизводительностью, подтвержденные результатами исследований изготовленных ТОУ.

4. С целью повышения эффективности ТОУ, обосновано использование в конструкции ТБ нового элемента - теплопровода. С учетом распределения тепловых потоков предложен способ установки теплопровода. Разработана методика расчета параметров теплопровода. Использование теплопровода позволяет увеличить холодопроизводительность и разность температур, и уменьшить потребляемую ТОУ электрическую мощность. Конструкция ТОУ защищена патентом на изобретение.

5. Разработана методика и получены математические модели для расчета потерь основных параметров ТЭМ после проведения операций герметизации ТЭМ. Результаты исследований показали хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных.

6; Разработана технология двойной герметизации ТЭМ, значительно увеличившей надежность, механическую прочность и ресурс работы

модулей. Герметичные ТЭМ успешно прошли комплексные исследования и испытания тепло - и электрофизических параметров, механической прочности, климатические и на стойкость к воздействию спецфакторов, а также на надежность. Результаты исследований показали, что потери по ДТ после герметизации не превышают 4 % от ДТтах ТЭМ. Это является вполне допустимым, с учетом положительных результатов герметизации. Герметичные ТЭМ выпускаются серийно и используются в ТЭС, предназначенных для обеспечения тепловых режимов электронных приборов и устройств. На способ герметизации ТЭМ получен патент на изобретение.

7. Предложена усовершенствованная математическая модель ПИД закона регулирования, предназначенная для МС управления термическим оборудованием, в том числе, ТЭС. Параметры ПИД - регулятора определяются для каждого значения задаваемой температуры, то есть адаптируются для каждой стабилизируемой температуры. Для оптимизации процесса стабилизации заданной температуры, в математическую модель управления введена дополнительная составляющая, значение которой определяется внешними факторами. Для реализации предложенных математических моделей в МС управления разработаны соответствующие алгоритмы и аппаратно - программные средства. Результаты исследований разработанных ТЭС позволяют сделать вывод о том, что использование предлагаемых МС обеспечивает высокие технические и эксплуатационные параметры ТЭС.

8. Проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование влияния режимов и параметров электрического питания на эффективность ТОУ. Разработаны методики и математические модели расчета влияния режимов и параметров питания на основные характеристики ТОУ. Доказано, что снижение эффективности ТОУ связано с дополнительной составляющей тепла Джоуля, определяемой пульсациями, и не компенсируемой теплом Пельтье. С помощью математического моделирования установлена и экспериментально подтверждена зависимость влияния уровня пульсаций на основные характеристики ТЭМ, что позволяет оптимизировать параметры питания ТОУ. Согласно полученным результатам установлено, что для регулирования температуры на уровне 0,1 °С, должны использоваться источники питания с пульсациями не превышающими (1-2) %. Проведенные исследования ТОУ показали хорошую корреляцию данных математического моделирования с полученными экспериментальными результатами.

9. Для метрологического обеспечения контроля параметров ТЭС при их исследовании и производстве разработаны следующие методики и измерительные комплексы:

- методика и измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических устройств;

- методики и измерительный комплекс для исследования влияния режимов и параметров питания на характеристики ТОУ;

- методика исследования ТЭМ на надежность;

- методика для испытания ТЭМ на механическую прочность;

- методика климатических испытаний термоэлектрических модулей;

- методика испытаний ТЭМ при избыточном давлении;

- методика и стенд для исследования теплообменников ТОУ;.

- программно-реконфигурируемый комплекс для исследования средств измерения температуры и термического оборудования.

10. Предложенные и разработанные в диссертации технологии, методики и измерительные комплексы, ТЭМ и устройства, MC управления, термоэлектрическое оборудование и аппаратно-программные средства внедрены в промышленность. Акты внедрения прилагаются.

Новизна и практическая значимость технических, технологических и аппаратно-программных решений, используемых в диссертационной работе, подтверждена 8 патентами и свидетельствами о государственной регистрации программного продукта.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Штерн Ю.И., Барабанов Д.Ю., Штерн М.Ю. Автономные термоэлектрические системы охлаждения и стабилизации температуры вычислительной техники // Тез. докл. 12-й Всеросс. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика-2005», МИЭТ, 2005. - С. 169-170.

2. Тарасов Р.Ю., Штерн М.Ю. Построение автоматизированных измерительных систем с использованием современных информационных технологий // Тез. докл. 12-й Всеросс. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика-2005», МИЭТ, 2005,- С. 122.

3. Штерн М.Ю. Проблемы теплообмена современных процессоров // Тез. докл. 13-й Всеросс. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика - 2006.», МИЭТ, 2006. - С. 268

4. Назаров С.Д., Штерн М.Ю., Смирнов A.B. Разработка и исследование прецизионных термоэлектрических термостатов // Тез. докл. 13-й Всеросс. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика -2006», МИЭТ, 2006.- С.89

5. Штерн М.Ю., Силибин М.В. Термоэлектрические системы для охлаждения и стабилизации температуры вычислительной техники. //

Тез. докл. 13-й Всеросс. межвуз. научно-техническая конф. «Микроэлектроника и информатика -2006», .МИЭТ, 2006. - С.101

6. Тарасов Р.Ю., Штерн М.Ю. Использование современных информационных технологий при построении автоматизированных измерительных систем - Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России, 2005, № 3. - С. 66-68

7. Штерн М.Ю. Термоэлектрическое оборудование для температурных исследований // Тез. докл. 14-й Всеросс. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика-2007», МИЭТ, 2007. - С. 61

8. Силибин М.В., Рощин В.М., Яковлев В.Б., Штерн М.Ю., Кузнецов М.В., Ловяшна М.С. Исследование характеристик сверхтонких пленок титанатов-цирконатов свинца// Материалы Междун. НТ школы-конференции. Часть 2, МИРЭА, 2006г. - С. 235-236

9. Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, М.Ю. Штерн, Е.В. Барсуков «Автоматизированные термоэлектрические системы для обеспечения тепловых режимов электронной техники»// X Междун. Конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Сб. докл. т. 1, Воронеж, 2009г.- С. 29-38

10. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Штерн М.Ю., Шерченков A.A. Методика и измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии// Межвуз. НТ Сб. под ред. В.И. Каракеяна, МИЭТ, 2009, С. 169-180.

11. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Миронов P.E., Штерн М.Ю. Разработка математических моделей для интеллектуальных систем управления прецизионным термическим оборудованием// Изв. вузов. Электроника. - 2010. - № 2 (82) - С. 52 - 59.

12. Штерн Ю.И. Высокоточные электронный средства измерения температуры / Ю.И.Штерн, Я.С. Кожевников, В.М. Рыков, P.E. Миронов, М.Ю. Штерн // «Кибернетика и высокие технологии XXI века», XI Междун. НТ конф. Сб. докл., Воронеж, 2010. - Т. 1. - С. 420-432.

13. Штерн Ю.И. Системы управления термическим оборудованием / Ю.И.Штерн, Я.С. Кожевников, В.М. Рыков, М.Ю. Штерн, P.E. Миронов // «Кибернетика и высокие технологии XXI века», XI Междун. НТ конф. Сб. докл. Воронеж, 2010. -Т. 1. -С. 433 -444.

14. Штерн М.Ю., Андронов Д.И., Нуштаев A.B. Разработка и исследование термоэлектрических систем с высокой холодопроизводитель-ностью //Тез. докл. 17-й Всеросс. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика» 2010. МИЭТ, 2010. - С. 58.

15. Свидетельство 2010610839, 27.01.2010, РФ. Программа для аналого-цифрового преобразования и передачи данных в беспроводных измерителях температуры// Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Штерн М.Ю, Миронов P.E.

16. Свидетельство № 2011610849 от 19.01.2011, РФ. Универсальная программа для многоканальных средств измерения температуры»// Штерн Ю.И., Кожевников Я.С, Рыков В.М., Штерн М.Ю., Миронов P.E.

17. Свидетельство № 2011610850 от 19.01.2011, РФ. Универсальная программа для высокоточных средств измерения температуры//Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Рыков В. М., Миронов Р. Е., Штерн М. Ю.

18. Патент № 2358357. РФ, МПК Н 01 L 35/28. Термоэлектрическое устройство// Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, Д.А. Боженарь, М.Ю. Штерн - Приор. 18.09.07.; опубл. 10.06.09, Бюл. №16.

19. Патент № 2364803. РФ, МПК F 25 В 21/02. Термоэлектрический модуль// Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, М.Д. Никаноров, Е.А. Крикун, М.Ю. Штерн - Приор. 18.09.07; опубл. 20.08.09г, Бюл. № 23.

20. Андронов Д.И., Штерн М.Ю. Исследование влияния герметизации на эффективность термоэлектрических модулей // Тез. докл. 18-й Всеросс. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика - 2011» МИЭТ, 2011. - С. 26.

21. Штерн М.Ю., Нуштаев A.B. Исследование влияния режимов и параметров электропитания на эффективность термоэлектрических систем // Тез. докл. 18-й Всеросс. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика - 2011».МИЭТ, 2011. - С. 57.

22. Штерн Ю.И., Штерн М.Ю., Шерченков A.A., Миронов P.E. Моделирование влияния режимов параметров питания на основные характеристики термоэлектрических модулей // 12-я Международная научно-техническая конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века».Сб. докл., Воронеж, 2011. - Т. 2. - С. 755 - 764.

23. Штерн М.Ю., Штерн Ю.И., Шерченков A.A. Конструирование и исследование термоэлектрических систем для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники // Изв. вузов. Электроника. - 2011. -№4 (90)-С. 30 - 38.

24. Свидетельство № 2011618256 от 19.10.2011, РФ. Программа для тестирования беспроводных устройств индивидуального учета тепловой энергии // Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Доронин С. Ю., Рыков В. М., Миронов Р. Е., Штерн М. Ю.

25. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Штерн М.Ю. Термоэлектрические модули специального назначения // Тез. докл. Междун. НТ конф. «Микроэлектроника и наноинженерия-2008». МИЭТ, 2008,- С. 180—181.

26. Свидетельство № 2011610220 от 11.01.2011, РФ. Программа для тестирования беспроводных измерителей температуры// Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Доронин С. Ю., Рыков В. М., Миронов Р. Е„ Штерн М. Ю.

27. Свидетельство № 2011610218 от 11.01.2011, РФ. Программа для многоканальных мультиметров// Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыга-лин Д.Б., Рыков В.М., Штерн М.Ю., Миронов P.E.

Автореферат

Штерн Максим Юрьевич

тема: Термоэлектрические устройства и оборудование для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники

подписано в печать заказ № 169.

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л 1,5. Тираж 80 экз.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.

Введение

Глава 1. Актуальность и проблемы использования термоэлектрических систем для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники

1.1. Тенденции развития и проблемы теплообмена вычислительной техники

1.2. Современные способы и устройства для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники

1.3. Актуальность применения термоэлектрических систем для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники

1.4. Проблемы повышения эффективности термоэлектрических систем охлаждения

1.4.1. Низкотемпературные термоэлектрические материалы и перспективы развития термоэлектрического материаловедения

1.4.2. Оптимизация конструкции и технологии термоэлектрических устройств

1.4.3. Проблемы электрического питания термоэлектрических устройств

1.4.4. Методики исследования функциональных и эксплуатационных характеристик термоэлектрических устройств и оборудования

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Разработка термоэлектрических систем для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники 54 2.1. Разработка структурных схем и конструкций термоэлектрических систем для обеспечения теплообмена в вычислительной технике

2.1.1. Разработка термоэлектрических устройств для локального охлаждения электронных компонентов компьютера

2.1.2. Разработка автономных термоэлектрических систем

2.1.3. Разработка термоэлектрических систем с высокой холодопроиз-водительностью

2.1.4. Моделирование и разработка конструкции термоэлектрических блоков

2.2. Усовершенствование конструкции термоэлектрических блоков

2.3. Разработка аппаратно-программных средств для регулирования и стабилизации температуры

2.3.1. Разработка математических моделей и исследование микропроцессорных систем управления и стабилизации температуры

2.3.2. Разработка программного обеспечение для микропроцессорных систем управления термоэлектрическими устройствами

2.4. Выводы по главе

Глава 3. Разработка технологии герметизации и исследование термоэлектрических модулей

3.1. Выбор и исследование материалов для герметизации термоэлектрических модулей

3.2. Математическое моделирование влияния герметизации на основные параметры термоэлектрических модулей

3.3. Разработка технологии герметизации термоэлектрических модулей

3.4. Исследование герметичных термоэлектрических модулей

3.5. Методика испытаний термоэлектрических модулей с двойной герметизацией на надежность

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Моделирование и исследование влияния режимов и параметров питания на характеристики элементов Пельтье

4.1. Математическое моделирование влияния пульсаций в электрическом токе на основные параметры элементов Пельтье.

4.2. Моделирование влияния пульсаций тока на холодопроизводитель-ность термоэлемента при работе его от источника тока

4.3. Моделирование влияния пульсаций тока на разность температур термоэлемента при работе его от источника тока

4.4. Моделирование влияния пульсаций напряжения на холодопроизводительность термоэлемента при работе его от источника напряжения

4.5. Моделирование влияния пульсаций напряжения на разность температур термоэлемента при работе его от источника напряжения

4.6. Разработка методики и исследование влияния пульсаций электропитания на параметры термоэлектрических модулей

4.7. Выводы по главе

Глава 5. Разработка методик, измерительных комплексов и исследование термоэлектрических устройств и оборудования

5.1. Разработка методики и программно-реконфигурируемош измерительного комплекса для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических устройств

5.2. Разработка стенда для исследования теплообменников горячих спаев термоэлектрических устройств

5.3. Измерительный комплекс для исследования средств измерения температуры и термического оборудования

5.4. Результаты исследований термоэлектрических устройств и оборудования, разработанных для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники

5.4.1. Исследование ТОУ для локального охлаждения электронных компонентов компьютера

5.4.2. Исследование автономной термоэлектрической системы

5.4.3. Исследование термоэлектрической установки с высокой холодо-производительностью

5.5. Выводы по главе 5 177 Основные результаты и выводы 180 Список использованных источников 184 Приложения

Актуальность работы

Важнейшей задачей эффективного применения изделий электронной техники является обеспечение тепловых режимов электронных компонентов. Особенно это актуально для вычислительной техники, где производительность компьютеров в значительной мере зависит от температуры электронных компонентов, основу которых, как и в электронной технике в целом, составляют интегральные схемы (ИС).

Значительная часть электрической энергии, подаваемой на ИС, преобразуется в тепловую энергию. С каждым днём технологии ЙС, в том числе процессоров - основных компонентов вычислительной техники, совершенствуется. Кроме частотных характеристик и, соответственно, повышения производительности, к процессорам предъявляются дополнительные требования: они должны иметь небольшие размеры, потреблять меньше электрической мощности, а значит и меньше выделять тепла. Однако увеличение интеграции полупроводниковых элементов в микросхеме приводит к увеличению плотности тепловых потоков на единицу поверхности, а уменьшение размеров кристаллов ИС снижает возможность эффективного отвода тепла.

Значительный прогресс в области конструирования вычислительных систем с высокой производительностью требует создания эффективного теплообмена для электронных компонентов, в том числе процессоров с повышенной степенью интеграции и все более высокой тактовой частотой. Это, в свою очередь, повышает требования, накладываемые на подсистемы охлаждения в части производительности и точности поддержания температуры. В связи с этим устройства охлаждения становятся необходимой и важной частью современных компьютеров.

Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных тепловых режимов электронных компонентов вычислительной техники ведутся многими исследовательскими лабораториями. Существует большое количество решений охлаждения процессоров, предлагаемых, в том числе, фирмами производителями этих процессоров. В последнее время многие серверы стали комплектоваться альтернативными системами охлаждения, которые могут использовать в качестве теплоносителя воду или газ, а также применять термоэлектрические модули (ТЭМ). Показана также целесообразность применения в системах охлаждения вычислительной техники тепловых труб.

Анализируя известные устройства охлаждения компьютеров, с учетом тенденций развития высокопроизводительной вычислительной техники, можно сделать вывод о том, что термоэлектрические системы (ТЭС) охлаждения являются наиболее перспективными для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники, это определяется несколькими причинами. Во-первых, термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения и термоста-тирования, например: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, небольшими габаритами и весом, возможностью локального охлаждения, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования и статирования температуры. Во-вторых, интенсификация исследований в области термоэлектричества и достигнутые успехи в технологии ТОУ позволили создавать термоэлектрические модули (элементы Пельтье) с максимальной разностью температур до 74 К. В-третьих, высокая экологичность и безопасность, несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТЭС по сравнению с другими системами охлаждения.

Необходимо также отметить и еще одно существенное преимущество термоэлектрического способа охлаждения. ТЭМ являются универсальными конструкционными элементами, позволяющими оперативно проектировать системы, которые являются не только эффективными тепловыми насосами, обеспечивающими отвод тепла от активных электронных компонентов компьютера. С помощью ТЭМ возможно получение низких температур, что позволяет значительно увеличить производительность процессоров.

Используя термоэлектрические модули различных типоразмеров и электрической мощности можно проектировать термоэлектрические блоки с различной конфигурацией и холодопроизводительностью, удовлетворяющие известным конструктивным решениям, предлагаемым ведущими производителями вычислительной техники. Поэтому целесообразно, в том числе, решить вопрос не только с охлаждением электронных компонентов, но и всего компьютера в целом. Это особенно актуально для мощных компьютеров и станций. Использование ТЭС с повышенной холодопроизводительностью позволяет решить указанную проблему.

Создание эффективных термоэлектрических систем охлаждения вычислительной техники требует решения ряда сложных научно-технических проблем, рассмотрим основные их них.

Известные конструктивно-технологические решения термоэлектрических устройств по ряду причин, не удовлетворяют современным требованиям эффективного отвода тепла. В том числе, отсутствует термоэлектрическое оборудование с высокой холодопроизводительностью, необходимое для обеспечения тепловых режимов высокопроизводительной вычислительной техники.

Таким образом, возникает необходимость повышения эффективности термоэлектрического оборудования. Для этого требуются оригинальные конструкторские решения термоэлектрических блоков, обоснованные методиками расчета элементов конструкции.

Анализируя современное состояние в области разработок аппаратно-программных средств для управления тепловыми процессами можно сделать следующие выводы. В термическом оборудовании в большинстве случаев используются микропроцессорные системы автоматического управления, реализованные на современной элементной базе. Однако сопряжению этих систем с объектами управления не уделено достаточно внимания, в том числе, не описываются особенности задания параметров настроек законов управления, применяемых в этих микропроцессорных системах. Практически отсутствуют математические модели объектов управления, с которыми могут работать эти системы. Недостаточно уделяется внимание моделированию микропроцессорных систем управления термическими объектами и исследованию динамики их работы. Слабо представлены разработки программного обеспечения, в том числе зарегистрированные в государственном реестре, реализующие сервисные установки микропроцессорных систем управления и информационное взаимодействие термического оборудования с персональным компьютером.

Термоэлектрический модуль состоит из последовательно соединенных с помощью коммутации в открытую (не изолированную) электрическую цепь термоэлементов. Длительное воздействие влажности на ТЭМ вызывает ряд серьезных проблем. Влага конденсируется из окружающей среды при положительных температурах ниже точки росы. В подавляющем большинстве случаев модули функционируют при таких температурах, когда неизбежно образование влаги на элементах конструкции ТЭМ, что в значительной степени снижает надежность и, соответственно, ресурс работы ТЭМ. Таким образом, крайне актуальным является вопрос защиты термоэлектрических модулей. Наиболее эффективный способ защиты от влаги - это герметизация ТЭМ.

Эффективность термоэлектрических устройств в значительной мере зависит от качества и режимов электропитания. В том числе, известно негативное влияние пульсаций питающего тока на параметры ТОУ. Даже используя микропроцессорные системы управления питанием термоэлектрических устройств невозможно с достаточной точностью регулировать основные параметры ТОУ - температуру и холодопроизводительность. Однако, несмотря на очевидную актуальность указанной проблемы, исследований влияния параметров питания на эффективность термоэлектрических устройств, чрезвычайно мало, к тому же большинство из них ограничиваются приближенными расчетами. В связи с этим, необходимо отметить, что комплексное теоретическое и экспериментальное исследование влияний пульсаций и режимов питания на основные параметры ТОУ является непременным условием создания эффективных термоэлектрических систем.

Разработки и исследования данной диссертации охватывают ряд различных конструктивно-технологических решений для термоэлектрических систем - от локальных устройств охлаждения электронных компонентов компьютера до термоэлектрического оборудования с высокой холодопроиз-водительностью, предназначенного для обеспечения тепловых режимов высокопроизводительной вычислительной техники. В связи с этим возникла необходимость в проведении исследований широкого спектра параметров ТЭС, от измерений вольт - амперных характеристик и теплофизических параметров ТЭМ, до исследований функциональных и эксплуатационных характеристик средств измерения температуры, микропроцессорных систем управления и мощных термоэлектрических блоков, входящих в состав термоэлектрических систем с высокой холодопроизводительностью. Для проведения комплексных исследований термоэлектрических модулей, электронных приборов и термоэлектрических систем в процессе диссертационных исследований необходимо было разработать ряд методик и современных реконфигури-руемых измерительных комплексов, позволяющих, в том числе, проводить исследования дистанционно и в автоматическом режиме.

Таким образом, анализ состояния научных исследований и проблем в области создания устройств обеспечения оптимальных тепловых режимов электронных компонентов вычислительной техники позволяет сделать следующий вывод. Разработка конструкционно-технологических решений термоэлектрических устройств и оборудования, предназначенных для отвода тепла от активных электронных компонентов компьютера и обеспечения тепловых режимов вычислительных систем является актуальной научно-технической задачей, решение которой обеспечит оптимальные температурные режимы электронных компонентов компьютеров, что позволит повысить производительность вычислительной техники.

Цель диссертационной работы - разработка и исследование эффективных термоэлектрических устройств и оборудования для обеспечения оптимальных тепловых режимов электронных компонентов компьютеров и вычислительных систем, что позволит повысить надежность и производительность вычислительной техники.

Термоэлектрическое оборудование рассматривается, как термоэлектрическая система, представляющая собой целостное образование, состоящее из конструктивных элементов, теснейшим образом взаимосвязанных между собой. Поэтому реализация поставленной цели требует системного подхода к процессу исследований.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать ряд эффективных конструкционно-технологических решений для термоэлектрических устройств и оборудования, предназначенных для обеспечения оптимальных тепловых режимов, как для тепловыделяющих электронных компонентов компьютеров, так и для высокопроизводительных вычислительных систем;

- провести оптимизацию конструкции термоэлектрических блоков, разработать методику расчета линейных размеров теплопровода;

- разработать методику расчета, конструкцию и изготовить термоэлектрический блок для ТЭС с высокой холодопроизводительностью;

- провести моделирование функциональных характеристик термоэлектрического оборудования, с целью оптимизации математических моделей управления этим оборудованием, разработать алгоритмы и аппаратно - программные средства для реализации полученных математических моделей в микропроцессорных системах управления термическим оборудованием;

- разработать математические модели для расчета влияния герметизации на основные параметры ТЭМ;

- разработать технологию герметизации ТЭМ, изготовить и провести комплексные исследования герметичных термоэлектрических модулей;

- провести комплексные теоретические и экспериментальные исследования влияния режимов и параметров питания на эффективность термоэлектрических устройств;

- используя результаты диссертационных исследований разработать и изготовить термоэлектрические устройства и оборудование для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники различной производительности;

- разработать методики и измерительные комплексы и провести исследования функциональных и эксплуатационных характеристик термоэлектрических модулей, устройств и оборудования, созданных в рамках диссертационной работы, провести сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании системного, научно-обоснованного подхода к созданию и исследованию термоэлектрических устройств и оборудования, предназначенных для обеспечения оптимальных тепловых режимов, как тепловыделяющих компонентов компьютеров, так и высокопроизводительных вычислительных систем.

1. Предложены и обоснованы новые конструкционно-технологические решения ТОУ для обеспечения тепловых режимов, включающие локальные и автономные термоэлектрические устройства для тепловыделяющих электронных компонентов и компьютеров в целом, а также термоэлектрическое оборудование с повышенной холодопроизводительностью для высокопроизводительных вычислительных систем.

2. Предложены методика и математические модели для расчета влияния различных стадий герметизации на основные параметры ТЭМ. Проведенные исследования показали хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных.

3. Впервые предложена технология двойной герметизации термоэлектрических модулей, значительно повышающая надежность и механическую прочность ТЭМ. Определены материалы и обоснованы технологические способы и режимы герметизации термоэлектрических модулей.

4. Впервые предложено использование нового конструктивного элемента (теплопровода) в составе термоэлектрического устройства. Обоснованы целесообразность и технология его установки в термоэлектрическом устройстве. Разработана методика для расчета параметров теплопровода. С использованием предложенных математических моделей установлено влияние теплопровода на основные характеристики (разность температур и холодо-производительность) термоэлектрического устройства.

5. Разработаны методики и математические модели расчета влияния режимов и параметров питания на основные характеристики ТОУ. Проведенные комплексные теоретические и экспериментальные исследования влияния режимов и параметров электрического питания на эффективность ТОУ показали хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных.

6. Усовершенствована математическая модель пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования введением коэффициентов, предназначенных для корректировки вкладов интегральной и дифференциальной составляющих управляющего воздействия. Для оптимизации процесса стабилизации заданной температуры в математическую модель управления введена также дополнительная составляющая, значение которой определяется внешними факторами. Экспериментально подтверждена эффективность использования предложенной математической модели в микропроцессорных системах управления термическим оборудованием.

Новизна научно-технических решений проблем, поставленных в диссертационной работе, защищена 2 патентами на изобретения.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке и внедрении следующих результатов:

1. Для метрологического обеспечения исследований и производства термоэлектрических устройств и оборудования разработаны следующие методики и изготовлены измерительные комплексы:

- Методика и измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических устройств.

- Методики и измерительный комплекс для исследования влияния режимов и параметров электропитания на характеристики термоэлектрических устройств.

- Методика исследования ТЭМ на надежность.

- Методика испытания ТЭМ на механическую прочность.

- Методика климатических испытаний термоэлектрических модулей.

- Методика испытаний на работоспособность при избыточном давлении.

- Методика и стенд для исследования теплообменников горячих спаев термоэлектрических устройств.

- Программно-реконфигурируемый измерительный комплекс для исследования средств измерения температуры и термического оборудования.

2. Предложенные в диссертационной работе конструкторские и технологические решения термоэлектрических устройств и оборудования для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники значительно улучшают характеристики вычислительной техники, делают их работу надежной и стабильной, повышают быстродействие. Использование термоэлектрического охлаждения в вычислительной технике позволяют существенно расширить области применения термоэлектрических систем.

3. Разработана технологическая документация для серийного производства герметичных термоэлектрических модулей. Подготовлена производственная инфраструктура и осуществляется выпуск герметичных термоэлектрических модулей, предназначенных для обеспечения тепловых режимов вычислительных блоков. Герметизация модулей позволяет значительно повысить их эксплуатационные характеристики, как для гражданского, так и военного применения.

4. Разработана новая конструкция термоэлектрических блоков, позволяющая увеличить эффективность термоэлектрических устройств, а именно максимальный градиент температур, холодопроизводительность и снизить потребляемую мощность.

5. Определены критерии конструирования источников питания постоянного тока, учитывающие взаимосвязь между пульсациями напряжения питания и потерями в основных параметрах термоэлектрических устройств.

6. Показано, что разработанные математические модели и аппаратно-программные средства регулирования тепловыми процессами, позволяют повысить эффективность микропроцессорных систем управления термоэлектрическим оборудованием.

7. Разработаны конструкции и изготовлены образцы термоэлектрических устройств для локального охлаждения, которые устанавливаются непосредственно на тепловыделяющие электронные компоненты компьютера, например, процессор. Термоэлектрические устройства локального охлаждения удовлетворяют конструктивным решениям для процессоров, предлагаемым ведущими производителями вычислительной техники.

8. Разработаны конструкции и изготовлены образцы автономных ТЭС, предназначенных для обеспечения тепловых режимов, как электронных компонентов, так и компьютера или вычислительной системы в целом. Автономные ТЭС могут быть использованы для вычислительной техники с повышенной производительностью.

9. Разработана конструкция и изготовлена установка с высокой холо-допроизводительностью, предназначенная для обеспечения тепловых режимов высокопроизводительных вычислительных систем.

10. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Национальном исследовательском университете "МИЭТ" при подготовке лекций, практических занятий и лабораторного практикума по дисциплинам: «Полупроводниковые преобразователи энергии», «Материалы электронной техники», «Термометрия, методы и средства измерения температуры», «Физика и химия полупроводников», «Конструирование и технология термоэлектрических преобразователей энергии».

Предложенные и разработанные в диссертации технологии, методики и измерительные комплексы, термоэлектрические модули и устройства, микропроцессорные системы управления, термоэлектрическое оборудование и аппаратно-программные средства внедрены в промышленность. Акты внедрения прилагаются.

Новизна и практическая значимость технических, технологических и аппаратно-программных решений, используемых в диссертационной работе, подтверждена 8 патентами и свидетельствами о государственной регистрации программного продукта.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Системный, научно обоснованный подход к разработке конструктивно-технологических решений термоэлектрических устройств и оборудования для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники.

2. Метрологическое обеспечение исследований и производства термоэлектрических устройств и оборудования, включающее ряд разработанных методик и измерительных комплексов, предназначенных для исследования теплофизических параметров термоэлектрических модулей, функциональных и эксплуатационных характеристик термоэлектрических устройств и оборудования.

3. Результаты исследований разработанных термоэлектрических устройств и оборудования, которые доказывают эффективность применения ТОУ для обеспечения оптимальных температурных режимов вычислительной техники.

4. Результаты комплексных исследований и испытаний герметизированных термоэлектрических модулей, определяющие значительное повышение эксплуатационных характеристик ТЭМ. Математические модели для расчета влияния герметизации на основные характеристики ТЭМ.

5. Результаты комплексных теоретических и экспериментальных исследований влияния режимов и параметров питания на основные характеристики ТЭМ, определяющие критерии проектирования источников питания для ТОУ.

6. Эффективное термоэлектрическое оборудование для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники различной производительности, аппаратно-программные средства для: систем мониторинга и управления температурными процессами и реконфигурируемых измерительных комплексов.

Основные результаты и выводы

1. Предложены и обоснованы конструкционно-технологические решения и изготовлены ТЭС для обеспечения тепловых режимов, включающие локальные и автономные термоэлектрические устройства для тепловыделяющих электронных компонентов и компьютеров в целом, а также термоэлектрическое оборудование с повышенной холодопроизводительностью для высокопроизводительных вычислительных систем.

2. Результаты исследований ТЭС, разработанных в диссертации и реализованных на практике, показали эффективность их использования для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники. Применение ТЭС существенно улучшает характеристики вычислительной техники, делает их работу надежной и стабильной.

3. Разработана конструкция и методики расчетов термоэлектрических блоков с высокой холодопроизводительностью, подтвержденные результатами исследований изготовленных ТОУ.

4. С целью повышения эффективности ТОУ, обосновано использование в конструкции ТБ нового элемента - теплопровода. С учетом распределения тепловых потоков предложен способ установки теплопровода. Разработана методика расчета параметров теплопровода. Использование теплопровода позволяет увеличить холодопроизводительность и разность температур, и уменьшить потребляемую ТОУ электрическую мощность. Конструкция ТОУ, защищена патентом на изобретение.

5. Разработана методика и получены математические модели для расчета потерь основных параметров ТЭМ: разности температур между холодными и горячими спаями и холодопроизводительности, после проведения операций герметизации ТЭМ. По результатам математического моделирования установлено, что после первой стадии герметизации, лаком УР - 231, максимальная разность температур (ДТтах) должна снижаться на 0,96%, а после второй стадии герметизации, суммарные потери по ДТтах должны составлять 3,66%. Полученные расчетные данные по изменению основных параметров модулей сопоставлены с исследованиями ТЭМ, прошедших различные стадии герметизации. Результаты исследований показали хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных.

6. Разработана технология двойной герметизации ТЭМ, значительно увеличившей надежность, механическую прочность и ресурс работы модулей. Герметичные ТЭМ успешно прошли комплексные исследования и испытания тепло - и электрофизических параметров, механической прочности, климатические и на стойкость к воздействию спецфакторов, а также на надежность. Результаты проведенных исследований показали, что потери по АТ после герметизации не превышают 4 % от ДТтах ТЭМ. Это является вполне допустимым, с учетом положительных результатов герметизации, особенно для ТЭМ, работающих в экстремальных условиях. Герметичные ТЭМ выпускаются серийно и используются в ТЭС, предназначенных для обеспечения тепловых режимов электронных приборов и устройств, в том числе, вычислительной техники. На способ герметизации термоэлектрических модулей получен патент на изобретение.

7. Предложена усовершенствованная математическая модель ПИД закона регулирования, предназначенная для микропроцессорных систем управления термическим оборудованием, в том числе, ТЭС. С целью оптимизации выхода на режим термического оборудования в математическую модель управления введены коэффициенты, предназначенные для корректировки вкладов интегральной и дифференциальной составляющих управляющего воздействия. Параметры ПИД - регулятора определяются для каждого значения задаваемой температуры, то есть адаптируются для каждой стабилизируемой температуры во всем диапазоне рабочих температур. Предложены уравнения для расчета этих адаптивных параметров регулятора. Для оптимизации процесса стабилизации заданной температуры, в математическую модель управления введена дополнительная составляющая, значение которой определяется внешними факторами, температурой окружающей среды и, в случае ТЭС, температурой теплообменников. Эта составляющая позволяет предопределить отклонение текущего значения стабилизируемой температуры от заданного, при изменении внешних воздействий, что позволяет увеличить стабильность работы ТЭС. Для реализации предложенных математических моделей в интеллектуальных микропроцессорных системах управления разработаны соответствующие алгоритмы и аппаратно - программные средства. Результаты исследований разработанного нами термоэлектрического оборудования для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники, оснащенного рассмотренными в данном разделе МСУ, позволяют сделать вывод о том, что использование предлагаемых МСУ обеспечивает высокие технические и эксплуатационные параметры ТЭС.

8. Проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование влияния режимов и параметров электрического питания на эффективность ТОУ. Разработаны методики и математические модели расчета влияния режимов и параметров питания на основные характеристики ТОУ (холодопроизводительность и разность температур). Показано, что уменьшение разности температур и холодопроизводительности пропорционально квадрату амплитуды переменной составляющей тока или напряжения. Таким образом доказано, что снижение эффективности термоэлемента связано с дополнительной составляющей тепла Джоуля, определяемой пульсациями, и не компенсируемой теплом Пельтье. С помощью математического моделирования установлена и экспериментально подтверждена зависимость влияния уровня пульсаций на основной параметр ТЭМ - разность температур между горячими и холодными спаями, что позволяет оптимизировать параметры питания ТЭУ. Согласно полученным результатам установлено, что при создании термоэлектрических устройств, предназначенных для регулирования температуры на уровне 0,1 °С, должны использоваться источники питания с пульсациями не превышающими (1-2) %. Проведенные исследования термоэлектрических устройств показали хорошую корреляцию данных математического моделирования с полученными экспериментальными результатами.

9. Для метрологического обеспечения диссертационных исследований и контроля параметров ТЭС при их производстве разработаны следующие методики и измерительные комплексы, в том числе программно-реконфигуриру емые:

- методика и измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических устройств;

- методики и измерительный комплекс для исследования влияния режимов и параметров электропитания на характеристики термоэлектрических устройств;

- методика исследования ТЭМ на надежность;

- методика для испытания ТЭМ на механическую прочность;

- методика климатических испытаний термоэлектрических модулей;

- методика испытаний на работоспособность при избыточном давлении;

- методика и стенд для исследования теплообменников горячих спаев термоэлектрических устройств;

- программно-реконфигурируемый измерительный комплекс для исследования средств измерения температуры и термического оборудования.

В процессе реализации метрологического обеспечения диссертационных исследований предложена концепция построения реконфигурируемых измерительных комплексов. Концепция базируется на системной интеграции технических и программных средств. Разработанные измерительные комплексы представляют возможность удаленного управления процессом измерений через Internet. Последнее свойство особенно перспективно для системы образовательных учреждений в учебных целях.

Новизна и практическая значимость технических, технологических и аппаратно-программных решений, используемых в диссертационной работе, подтверждена 8 патентами и свидетельствами о государственной регистрации программного продукта.

1. Термоэлектрическое охлаждение: Текст лекций /Булат Л.П., Ведерников М.В. Вялов А.П. и др./ Под ред. Л.П. Булата.-СПб.: СПбГУНиПТ, 2002.-147с.

2. Сергей Бучин, «Азотный экстрим: все, что нужно знать об азотном охлаждении» 2003. www.ferra.ru.

3. Игорь Зубаль, «Экстремальное охлаждение процессоров» www.ferra.ru.

4. Киви Берд. «Вот тогда уж будет разгон» 2002. www.ferra.ru

5. Сергей Бучин, Сергей Смагин. «Холодок- станция» 2003. www.computerra.ru

6. Патент РФ №2208830 7 G 05 D 23/22. Терморегулирующее устройство для обеспечения минимальных тепловых напряжений в режимах включения и выключения ЭВМ/ Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Нежведилов Т.Д. (РФ) №2000123386, опубл. 20.07.2003, Бюл. №20.

7. Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Нежведилов Т.Д. Устройство температурной стабилизации при включении и выключении ЭВМ // Материалы VIII Межгосударственного семинара. Термоэлектрики и их применение, СПб.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. 2002г. С. 379-381

8. Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Нежведилов Т.Д. Применение многокаскадных термоэлектрических модулей для охлаждения процессора компьютера// Изв. Вузов. Приборостроение, СПб.: 2004. Т.47, №7.С.25-29

9. Сергей Бучин, «Элемент Пельтье в действии: обзор кулера Thermaltake SubZero 4G.» 2003. www.ferra.ru

10. Aiternkirch Е. Uber den Nutzeffekt der Thermosaule // Phys.Zs. 1909. -№16. -P. 560-568.

11. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. M.; Д.: Акад. наук СССР, Институт полупроводников, 1956. - 104 с.

12. А.Ф. Иоффе, JI.C. Стильбанс, Е.К. Иорданишвили, Т.С. Ставицкая. Термоэлектрическое охлаждение М.; Л.:Акад. наук СССР, 1956.-110 с.

13. А.Ф. Иоффе, C.B. Айрапетянц, A.B. Иоффе, Н.В. Коломоец, Л.С. Стильбанс. О повышении эффективности полупроводниковых термопар// Акад. наук СССР, 1956.-Т. 106.-№6.-С. 981-984.

14. Синани С.С., Гордякова Г.Н. Твердые растворы Bi2Te3-Bi2Se3 как материалы для термоэлементов // Журнал технической физики. 1956. - Т. 26.-№ 10.-С. 2398-2399.

15. Шмелев Г.И. Физика твердого тела: Материалы для термоэлементов на основе трехкомпонентных интерметаллических соединений. М. ; Л. : Акад. наук СССР, 1959. - Т. 1. - С. 63-75.

16. Кокош Г.В., Синани С.С. Физика твердого тела: Влияние примесей на термоэлектрические свойства твердого раствора Sb2Te3 Bi2Te3. - M.; Л.: Акад. наук СССР, 1959. - Т. 1. - С. 89-99.

17. Айрапетянц C.B., Ефимова Б.А. Термоэлектрические свойства и характер связей системы Bi2Te3-Sb2Te3 // Журнал технической физики. 1958. - Т.28. - № 8. - С. 1768-1774.

18. Кокош Г.В., Синани С.С. Термоэлектрические свойства сплавов псевдобинарной системы Sb2Te3-Bi2Te3 // Физика твёрдого тела. 1960. - Т. 2.-Вып. 6.-С. 1118-1124.

19. Иорданишвили Е.К. Термоэлектрические источники питания. М. : Сов. Радио, 1968. - 184 с.

20. Przylutski J., Borkowski К. Doping Bismuth Telluride and its Alloys / Proc. 3rd Inter.Conf. on Thermoelectric Energy Conversion. Arlington, 1980. -157 p.

21. А.Л. Вайнер, Э.М. Лукишкер, M.H., Сомкин, Ю.Е. Спокойный. К вопросу о выборе термоэлектрических полупроводниковых материалов для устройств охлаждения РЭА // Вопросы радиоэлектроники. 1967. - № 2. - С. 47-51.

22. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.; Л.: Акад. наук СССР, 1960.-188 с.

23. Лидоренко Н.С. и др. Исследование пластической деформации при горячей экструзии полупроводниковых твердых растворов n-Bi2(Te,Se)3 и р-(Bi,Sb)2Te3 // Докл. акад. наук СССР. 1978. - Т. 238. - № 2. - 335 с.

24. Воронин А.Н., Гринберг Р.З. Термоэлектрические свойства полупроводников // Сборник трудов I II Всесоюзных совещаний по термоэлектричеству. - Л., 1964. - С. 80.

25. B.C. Гайдукова, Б.А. Ефимова, О.А. Казанская, Э.Ф. Косолапова. Термоэлектрические свойства экструзированных сплавов Sb2xBixTe3 // Неорганические материалы. 1983. - Т. 19. - № 2. - С. 207-210.

26. A. Sher, D. Ilzycer, М. Shiloh, S. Szapiro. Preparation of Oriented Thermoelectric Material // Mat.Res.Bull. 1982. - V. 17. - P. 899-902.

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

28. Голдсмид Г. Применения термоэлектричества.-М.:Физматгиз, 1963.104 с.

29. Birkholz U. Untersuchung der intermetallischen Verbindung Bi2Te3 sowie der festen Losungen Bi2xSbxTe3 und Bi2Te3xSex im Hinblick auf die Eignung als Materialien für Halbleiterther-moelemente // Z. Naturforsch. 1958. -№ 13. - P.720-792.

30. A.A. Айвазов, B.M. Глазов, Ю.В. Ятманов, Ю.И. Штерн Термоэлектрические свойства сплавов, полученных методом сверхбыстрого охлаждения // Физико-химия аморфных металлических сплавов: Всесоюзн. совещ-М.: МИЭТ, 1982.-С. 12.

31. A.c. № 1132755 СССР. Термоэлектрический материал для положительной ветви каскадного термоэлемента / A.C. Бурханов, В.М. Глазов, A.A. Айвазов, Л.Д. Дудкин, В.А. Курешов, Ю.И. Штерн. Приор. 02.08.83 ; заре-гистр. 01.09.84; опубл. 01.09.84.

32. Айвазов A.A., Штерн Ю.И., Басков O.A., Жислин Б.И., Тимошенко

33. B.И. Физикохимическое исследование тонких пленок твердых растворов халькогенидов висмута и сурьмы//Тез. докл. 7 Всесоюзн. конф. «Химия, физика и технологическое применение халькогенидов». Ужгород, 1988 Ч. 31. C. 352.

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

35. Вайнер A.J1. Каскадные термоэлектрические источники холода. -М.: Сов. радио. 1976 140 с.

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

37. Семенюк В.А. Низкотемпературное термоэлектрическое охлаждение: проблемы и перспективы // Журнал технической физики. 2006. - Т. 76. - №6.-С. 140-142.

38. Айвазов A.A., Штерн Ю.И. Исследование теплопроводности термоэлектрических материалов в интервале температур 120-600 К // Тез. докл. 8 Всесоюзная конф. по теплофизическим свойствам ; Ч. 2. Новосибирск, 1988.-С. 74-76.

39. Н. Лукьянова, В.А. Кутасов, П.П. Константинов. Активизация термоэлектрического материала п типа на основе (Bi, Sb)2Te3 для температуры ниже 200 К // ФТТ. - 2004. - Т. 46, № 8 В., С. 1366.

40. М.В. Ведерников, В.А. Кутасов, J1.H. Лукьянова, П.П. Константинов. Оптимизация термоэлектрических материалов на основе (Bi,Sb)2(Te,Se)3 в низкотемпературном диапазоне // ФТП. 2000. - Т. 34, № 4 В., - С. 389.

41. А.И. Анухин, H.A. Бобошко, А.И. Мазина, Л.В. Чани. Влияние сверхстехиометрического теллура на термоэлектрические свойства твердых растворов BixSb2xTe3 // Материалы для термоэлектрических преобразователей.-Л.: ФТИ, 1987.-С. 73.

42. Н.Х. Абрикосов, Л.Д. Иванова, Т.Е. Свечникова, С.Н. Чижевская и др. Испытания термоэлементов из монокристаллов твердых растворов халь-когенидов сурьмы и висмута // Материалы для термоэлектрических преобразователей. Л.: ФТИ, 1987. - С. 139-140.

43. Абрикосов Н.Х., Иванова Л.Д. Исследование монокристаллов твердых растворов системы Sbi5Bio,5Te3 Bi2Se3 // Неорганические материалы. -1982. - Т. 18. - № 4. - С. 560-564.

44. Абрикосов Н.Х., Данилова-Добрякова Г.Т. Влияние свинца на свойства твердых растворов Bio,65Sbi;35Te2;7Seo,3 и Sblj2Bio;8Te2;4Se0j6 Н Неорганические материалы. 1982. - Т. 18. - № 4. - С. 565-568.

45. Штерн Ю.И., Анухин А.И. Термоэлектрические свойства твердого раствора (Bi0j8Sb0,2)2Te3 // Термодинамика и материаловедение полупроводников. M.: МИЭТ, 1989. - С. 227.

46. Табачкова Н.Ю. Структурные изменения в поликристаллических термоэлектрических твердых растворах халькогенидов Bi и Sb в зависимости от условий их получения и обработки: Диссертация на соискание ученой степени канд. Физ.-мат. Наук. М., 2005. - 148 с.

47. Воронин А.Н., Гринберг Г.З. // Труды II Международной конференции по порошковой металлургии. Прага, 1966. - Т. 4.-С. 110.

48. Грехов Ю.Н., Шурыгин П.М., Сенаторов A.A. Зонное выравнивание твердых растворов на основе теллурида висмута // Технология материалов электронной техники. Красноярск: Красноярское кн. изд-во, 1970. - С. 102— 107.

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

50. Ю.М. Белов, Ю.Г. Полистанский, В.П. Шварц, A.C. Тимошин. Разработка способа получения профилированных кристаллов Bi-Te-Se, Sb—Bi— Те // Полупроводниковые материалы для термоэлектрических преобразователей.-Л., 1985.- 149 с.

51. Н.Х. Абрикосов, Л.Д. Иванова, О.Г. Карпинский и др. Получение и исследование пластических монокристаллов твердых растворов на основе Sb2Te3 и Bi2Te3 // Неорганические материалы. 1977 - Т. 13. -№4. - С.641-644.

52. Свечникова Т.Е., Чижевская С.Н., Констатинов П.П. Влияние индия на термоэлектрические свойства твердого раствора Bi2Te2)85Se0ji5 // Материалы для термоэлектрических преобразователей. Л.: ФТИ, 1987. - С. 62.

53. Старк Н.К., Свечникова Т.Е., Чижевская С.Н. Термоэлектрические свойства сплавов системы Bi2Te3-Bi2Se3 в интервале температур 100-600 К // Неорганические материалы. 1985. - Т. 21. - № 3.7 8

54. Ятманов Ю.В. Разработка методов скоростного (10 10 К/с.) охлаждения полупроводниковых расплавов и рентгенографическое исследование структуры двойных и тройных сплавов А - В, полученных этими методами: Дис. канд. техн. наук. -М., МИЭТ, 1983. - 242 с.

55. Глазов В.М., Ятманов Ю.В., Иванова А.Б. Структурные особенности сплавов системы Bi-Te, полученных при сверхбыстрой закалке жидкой фазы // Неорганические материалы. 1986. - Т. 22 - № 4. - С. 596 - 602.

56. Швалев В.О., Куликов В.А., Чижевская С.Н. Механические свойства зонноплавленных термоэлектрических материалов Bi0)5Sbi;5Te3xSex // Материалы для термоэлектрических преобразователей. Л., 1987. - С. 66 - 67.

57. Л.Д. Иванова, И.М. Копьев, Н.Х. Абрикосов, С.Н. Чижевская и др. Механические свойства сплавов твердых растворов на основе теллурида сурьмы // Материалы для термоэлектрических преобразователей. Л., 1987. -С. 64.

58. Гольцман Б.М., Кутасов В.А., Лукьянова Л.Н. Механизм формирования текстуры и ее влияния на прочность термоэлектрика р Bi0.5Sbi.5Te3 // Физика твёрдово тела.- 2009. - Т. 51. - № 4. - С. 706 - 708.

59. Кахраманов К.Ш., Рошаль P.M., Касимов М.И. Исследование возможности использования твердых растворов системы Bi2Te3-In2Se3 в качестве материала для п-ветви термоэлементов // Материалы для термоэлектрических преобразователей. Л., 1987. - С. 76.

60. Ilzycer D., Shiloh M., Sinvani M. Distribution of the Do- pant in the Growth of the n-type Thermoelectric Alloys for Coolers // Proc. 6th Inter. Conf. on Thermoelectric Energy Conversion. Arlington, 1986. - P. 121 - 124.

61. Булат Л.П., Закордонец B.C. Максимальная термоэлектрическая добротность в полупроводниковых кристаллических материалах // Физика и Техника Полупроводников. 1995. - Т. 29.- № 10. - С. 1743-1749.

62. Mahan G.D. Good thermoelectrics // Solid State Phys.-1998.-V.51,-P.81-157.

63. Стильбанс Л.С., Терехов Л.Д., Шер Э.М. Некоторые вопросы явлений переноса в гетерогенных системах // Термоэлектрические материалы и пленки. Л.: АН СССР, 1976. - С. 199-210.

64. Ерофеев P.C., Середин C.B. Наноструктурированные термоэлектрики // Сб. докл. X Межгосударственный (стран СНГ) семинар по термоэлектрикам и их применениям. С-Пб., ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2006 г, С. 190 -194.

65. Н.С. Лидоренко, О.И. Нарва, Л.Д. Дудкин, P.C. Ерофеев. Влияние пористости и качества межзеренных границ на электро и теплопроводность полупроводниковых термоэлектрических материалов // Неорганические материалы,- 1970. - Т. 6. - № 12. - С. 2112-2118.

66. Б.М. Гольцман, В.Ш. Саркисян, Л.С. Стильбанс, В.Н. Шлыков. Исследование влияния пор и границ зерен на электропроводность и теплопроводность термоэлектрических материалов // Неорганические материалы. -1969.-Т. 5,-№2.-С. 283-286.

67. S. Kuypers, G. van Tendeloo, J. van Landuyt, S. Amelinckx. // Solid State Chem 1988. - № 76. - P. 102.

68. L.E. Shelimova, O.G. Karpinsky, M.A. Kretova, E.S. Avilov. // Alloys Compd 1996. - № 243. - P. 194 .

69. P.P. Konstantinov, L.E. Shelimova, E.S. Avilov, M.A. Kretova, J.P.

70. Fleurial. Transport phenomena in mixed layered tetradymite-like compounds in the GeTe-Bi2Te3 system // Solid State Chem 1999. - № 146. - P. 305-312.

71. Jones C.D.W., Regan K.A., DiSalvo F.J. // Phys. Rev. B. -1996.-V.53.-P.16057.

72. Ведерников M.B., Иванов Ю.В. Низкоразмерные структуры с квантовыми ямами перспективные термоэлектрики // Материалы для термоэлектрических преобразователей. - СПб.: РАН им. Иоффе, 1998. - С. 160161.

73. Slack G.A. CRC Handbook of Thermoelectrics / Ed.: D.M. Rowe. -Florida: Chemical Rubber, 1995. 407 p.

74. Cahill D.G., Watson S.K., Pohl R.O. Lower limit to the thermal conductivity of disordered crystals // Phys. Rev. B. 1992. - V. 46. - P. 6131-6140.

75. B.C. Sales, D. Mandrus, B.C. Chakoumakos, V. Keppens, J.R. Thompson. Filled skutterudite antimonides: Electron crystals and phonon glasses // Phys. Rev. В.- 1997.-V. 56.-P. 15081.

76. G.S. Nolas, M. Kaeser, R.T. Littleton, T.M. Tritt. High figure of merit in partially filled ytterbium skutterudite materials // Appl. Phys. Lett. 2000. - V. 77. -P. 1855.

77. Nolas G.S., Slack G.A., Schjuman S.B. Recent. Trends in Thermoelectric Materials Research / Ed.: T.M. Tritt. San Diego: Academic Press, 2001. -255 p.

78. Pauling L., Marsh RE. Proc. // Natl. Acad. Sci. 1952. - V. 36. - P.112.

79. A.P. Wilkinson, C. Lind, R.A. Young, S.D. Shastri, P.L. Lee, G.S. Nolas. Preparation, transport properties and structure analysis by resonant x-rayscattering of the type-I clathrate Cs8Cd4Sn42 // Chem. Mater. 2002. - V. 14. - P. 1300.

80. S. Paschen, W. Carrilo-Cabrera, A. Bentien, V.H. Tran, M. Baenitz, Yu. Grin, F. Steglich. // Phys. Rev. B. 2001. - V. 64. - P. 214404.

81. G.S. Nolas, J.L. Cohn, G.A. Slack, S.B. Schujman. Semiconductor Ge Clathrates: Promising Candidates for Thermoelectric Applications // Appl. Phys. Lett. 1998.-V. 73.-P. 178-180.

82. B.C. Sales, B.C. Chakoumakos, D.Mandrus, J.W. Sharp. // Solid State Chem 1999. - V. 146. - P. 528.

83. B.B. Iversen, A.E.C. Palmqvist, D.E. Cox, G.S. Nolas, G.D. Stucky, N.P. Blake, H. Metiu. Why are clathrates good candidates for thermoelectric materials? // Solid State Chem 2000. - V. 149. - P. 455-458.

84. D.T.Morelli, T.Caillat, J.-P.Fleurial, A.Borshchevsky, J.Vandersande, B.Chen, C.Uher, Phys.Rev.B: Condens. Matter Mater. Phys. 1995, 51, 9622.

85. T.Caillat, A.Borshchevsky, J.-P.Fleurial, J.Appl.Phys. 1996, 80, 4442.

86. L.D.Hicks, T.C.Harman, X.Sun, M.S.Dresselhaus, Phys. Rev. B:Condens. Matter Mater. Phys. 1996, 53, R10493.

87. J.Heremans, in Thermoelectric Materials 2003-Research and Applications, MRS Symp. Proc. (Eds: G.S.Nolas, J.Yang, T.P.Hogan, D.C.Johnson), Materials Research Society Press, Pittsburgh, PA 2004, pp. 3-14.

88. K.F.Hsu, S.Loo, F.Guo, W.Chen, J.S.Dyck, C.Uher, T.Hogan, E.K.Polychroniadis, M.G.Kanatzidis, Cubic AgPbmSbTe2+m: Bulk Thermoelectric Materials with High Figure of Merit. Science 2004, Vol.303, pp.818-821.

89. M.S.Dresselhaus, G.Chen, M.Y.Tang, R.Yang, H.Lee, D.Wang, Z.Ren, J.-P.Fleurial, P.Gogna, New Directions for Low-Dimensional Thermoelectric Materials, Adv. Mater. 2007, Vol.19, pp. 1-12.

90. R.G.Yang, G.Chen, Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2004, Vol.69, p.195316.

91. R.Yang, Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2005.

92. J.-P.Fleurial, P.Gogna, G.Chen, M.S.Dresselhaus, H.Lee, M.Y.Tang, Z.F.Ren, D.Wang, S.Bux, D.King, R.Kaner, R.Blair. Nanostructured Bulk Thermoelectric Materials. pp.I-04-1-1-04-8.

93. X.B.Zhao, X.H.Ji, Y.H.Zhang, B.H.Lu. Journal of Alloys and Compounds, 2004. Vol.368, No. 1-2, pp.349-352.

94. X.B.Zhao, T.Sun, T.J.Zhu, J.P.Tu. J. Mater. Chem., 2005. Vol.15, pp.1621-1625.

95. Y.Y.Zheng, T.J.Zhu, X.B.Zhao, J.P.Tu, G.S.Cao. Materials Letters, 2005. Vol.59, pp. 2886-2888.

96. Yong N. Lee Performance of Thermoelectric Air-to-Air Cooler. Impactthof Heat Exchanger Characteristic // Proceedings of the 12 International Conference on Thermoelectric. Yokohama, Japan. - 1993. - P. 407 - 411.

97. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Тарасов P. Ю., Барабанов Д.Ю. Перспективы развития низкотемпературного термоэлектрического приборостроения // Известия вузов. Электроника, 2005, № 4-5. С. 179-184.

98. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Штерн М.Ю. Термоэлектрические модули специального назначения //Тез докл. Международная научно-техническая конф. «Микроэлектроника и наноинженерия 2008». М.: МИЭТ, 2008.-С. 180-181.

99. Осипков A.C. Обеспечение надежности термоэлектрических модулей приборов методом акустической эмиссии на этапе их технологических испытаний.: Автореферат дис. канд. техн. наук. -М.: 2010.

100. Штерн Ю.И. Технология герметизации термоэлектрических модулей // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2008. - № 4. - С. 53-56.

101. Брусницин П.С. Кораблев В.А. и др. Методы и системы термостабилизации твердотельных лазеров // Изв. вузов. Приборостроение. 2000. - Т. 43.-№ 1.-С. 122- 125.

102. Теория автоматического управления. 4.1: Теория линейных систем автоматического управления / Под редакцией A.A. Воронова: в 2-х ч. М.: Высшая школа, 1986. - 367 с.

103. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев A.B. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985.- 536 с.

104. Штерн Ю.И. Концепция создания приборов и оборудования для температурных исследований // Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России, 2007, № 2. - С. 96-99.

105. Штерн Ю. И., Марков Ф.В., Боженарь Д.А., Тарасов Р.Ю. Высокоточные температурные технологии // Изв. вузов. Электроника, 2000, № 4-5. -С.167-169.

106. Штерн Ю.И. Термоэлектрические системы для прецизионного регулирования и стабилизации температуры изделий электронной техники //

107. Тез. докл. Международная научно-техническая конф. «Микроэлектроника и наноинженерия» 2008. - М.: МИЭТ, 2008. - С. 177 - 178.

108. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С. Микропроцессорные системы для прецизионного регулирования и стабилизации температуры // Тез. докл. XXVIII Российская школа по проблемам науки и технологий. Межрег. совет по науке и технологиям 2008 г. Миасс, 2008. - С. 60.

109. Шубладзе A.M., Гуляев СВ., Щекина Т.И. Самодиагностирующие автоматически настраиваемые ПИ-системы управления // Датчики и системы. -2001.-№2.-С. 10- 12.

110. Мазуров В.М., Спицын A.B. Цифровые ПИД регуляторы с непрерывной частотной адаптацией // Приборы и системы. - 2001. № 5. - С. 32 -34.

111. Ткаченко А.Н. Терморегуляторы корпорации «Omron» // Приборы и системы управления. 1998. - № 12. - С. 72 - 74.

112. Коломейцева М.Б., Хо Д.Л. Синтез адаптивной системы управления на базе нечеткого регулятора для многомерного динамического объекта // Приборы и системы управления. 2002. -№3.-С.34-37.

113. Пупков К.А., Коньков В.Г. Интеллектуальные системы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. - 348 с.

114. Микропроцессорные системы автоматического управления / Под редакцией В.А. Бесекерского. Л.: Машиностроение, 1988. - 366 с.

115. Покорный Е.Г., Щербина А.Г. Расчет полупроводниковых охлаждающих устройств. Л.: Наука, 1969. - 206 с.

116. Штерн Ю.И., Барабанов Д.Ю., Калинкин С.А. Исследование влияния характеристик питающего тока на электрофизические параметры термоэлектрических устройств // Тез. докл. IV Международ. НТК (19-21 ноября 2002). М.: МИЭТ, 2002. - С. 314.

117. Штерн Ю.И., Барабанов Д.Ю., Кожевников Я.С. Разработка и исследование источников питания для термоэлектрических систем // Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. 2005. - № 3. - С. 38 -40.

118. Штерн Ю.И., Барабанов Д.Ю., Литвинов А.И., Самохин В.И. Влияние параметров электропитания на эффективность термоэлектрических систем // Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. -2007. -№3. - С. 84-92.

119. Теория автоматического управления. 4.1: Теория линейных систем автоматического управления / Под редакцией A.A. Воронова: в 2-х ч. М.: Высшая школа, 1986. - 367 с.

120. Штерн М.Ю., Штерн Ю.И., Шерченков A.A. Конструирование и исследование термоэлектрических систем для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники // Изв. вузов. Электроника. 2011. - № 4 (90) -С. 30- 38.

121. Штерн М.Ю. Проблемы теплообмена современных процессоров // 13-я Всероссийская межвуз. научно-техническая конф. : Микроэлектроника и информатика 2006. - М.: МИЭТ, 2006. - С. 268

122. Штерн М.Ю., Силибин М.В. Термоэлектрические системы для охлаждения и стабилизации температуры вычислительной техники. //13-я Всероссийская межвуз. научно-техническая конф. : Микроэлектроника и информатика -2006. -М.МИЭТ, 2006.,с. 101

123. Штерн М.Ю., Андронов Д.И., Нуштаев A.B. Разработка и исследование термоэлектрических систем с высокой холодопроизводительностью // 17-я Всероссийская межвуз. научно-техническая конф. : Микроэлектроника и информатика 2010. - М.: МИЭТ, 2010. - С. 58.

124. Патент № 2358357. Российская Федерация, МПК Н 01 L 35/28. Термоэлектрическое устройство / Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, Д.А. Боже-нарь, М.Ю. Штерн Приор. 18.09.07. ; опубл. 10.06.09, Бюл. №16.

125. Патент № 2364803. Российская Федерация, МПК F 25 В 21/02. Термоэлектрический модуль / Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, М.Д. Никано-ров, Е.А. Крикун, М.Ю. Штерн Приор. 18.09.07; опубл. 20.08.09г, Бюл. № 23.

126. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Миронов P.E., Штерн М.Ю. Разработка математических моделей для интеллектуальных систем управления прецизионным термическим оборудованием// Изв. вузов. Электроника. 2010. - № 2 (82) - С. 52 - 59.

127. Свидетельство 2010610839, 27.01.2010, Российская Федерация. Программа для аналого-цифрового преобразования и передачи данных в беспроводных измерителях температуры / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Штерн М.Ю, Миронов P.E.

128. Штерн М.Ю. Термоэлектрическое оборудование для температурных исследований // 14-я Всероссийская межвуз. научно-техническая конф. : Микроэлектроника и информатика-2007. М.: МИЭТ, 2007., с. 61

129. Свидетельство № 2011610849 от 19.01.2011, Российская Федерация. «Универсальная программа для многоканальных средств измерения температуры» / Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Рыков В. М., Штерн М. Ю., Миронов Р. Е.

130. Свидетельство № 2011610850 от 19.01.2011, Российская Федерация. «Универсальная программа для высокоточных средств измерения температуры» / Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Рыков В. М., Миронов Р. Е., Штерн М. Ю.

131. Свидетельство № 2011618256 от 19.10.2011, РФ. Программа для тестирования беспроводных устройств индивидуального учета тепловой энергии // Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Доронин С. Ю., Рыков В. М., Миронов Р. Е., Штерн М. Ю.

132. Yong N. Lee Performance of Thermoelectric Air-to-Air Cooler. Impactthof Heat Exchanger Characteristic // Proceedings of the 12 International Conference on Thermoelectric. Yokohama, Japan. - 1993. - P. 407 - 411.

133. Штерн Ю.И., Боженарь Д.А. Оптимизация конструкции термоэлектрических охлаждающих устройств // Изв. вузов. Электроника. 2000. -№ 2. - С. 80-86.

134. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985. - 536 с.

135. Пупков К.А., Коньков В.Г. Интеллектуальные системы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2003. - 348с.

136. Назаров С.Д., Штерн М.Ю., Смирнов A.B. Разработка и исследование прецизионных термоэлектрических термостатов/Электроника-2006. -М. МИЭТ, 2006., с. 101.

137. Свидетельство № 2011610218 от 11.01.2011, Российская Федерация. «Программа для многоканальных мультиметров» / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыгалин Д.Б., Рыков В.М., Штерн М.Ю., Миронов P.E.

138. Теория автоматического управления. / Под редакцией A.A. Воронова: в 2-х ч. М.: Высшая школа, 1986. 4.1: Теория линейных систем автоматического управления. - 367 с.

139. Андронов Д.И., Штерн М.Ю. Исследование влияния герметизации на эффективность термоэлектрических модулей // 18-я Всероссийская меж-вуз. научно-техническая конф. «Микроэлектроника и информатика — 2011». — М.: МИЭТ, 2011.-С. 26.

140. Кочкин В.Ф., Гуревич А.Е. Лакокрасочные материалы и покрытия в производстве радиоаппаратуры. Л.: Химия, 1991.

141. Химическая энциклопедия: В 5 т. Т. 3 / Редкол.: И.Л. Кнунянц и др. М.: Большая Российская энцикл., 1992.

142. Рейбман А.И. Защитные лакокрасочные покрытия. Л.: Химия,1982.

143. Химическая энциклопедия: В 5 т. Т. 2 / Редкол.: И.Л. Кнунянц и др. М.: Большая Российская энцикл., 1992.

144. Гольдберг М.М. Материалы для лакокрасочных покрытий. М.: Химия, 1972.

145. Сперлинг Л. Взаимопроникающие полимерные сетки и аналогичные материалы: Пер. с англ. М.; Мир, 1984.

146. Саундерс Дж.Х., Фриш К.К. Химия полиуретанов: Пер. с англ. М.: Химия, 1968.

147. Большаков А. Передовые однокомпонентные уретановые влагозащитные покрытия HumiSeal // Компоненты и технологии. Приложение: Технологии в электронной промышленности. 2005. № 3.

148. Ширшова В. Технология влагозащиты и электроизоляции изделий РЭА полипараксилиленом // Компоненты и технологии. 2002. № 2.

149. ТУ 88 УССР 193.091 -86.0твердитель АТ-1.

150. ТУ 6-21-14-90. Лаки эпоксидно-уретановые УР-231 иУР-231Л.

151. Микросборки. Платы. Тонкопленочные типовые технологические процессы. ОСТ- 4.Г0.054.238. 1980.

152. Штерн Ю.И. Исследование электрофизических свойств и определение механизмов тепло и электропроводности в термоэлектрических материалах на основе В12Тез // Известия вузов. Материалы электронной техники. - 2008. - № 2. - С. 73-77.

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

154. Штерн М.Ю., Нуштаев A.B. Исследование влияния режимов и параметров электропитания на эффективность термоэлектрических систем // 18-я Всероссийская межвуз. научно-техническая конф. «Микроэлектроника и информатика-2011».-М.: МИЭТ, 2011.-С. 57.

155. Тарасов Р.Ю., Штерн М.Ю. Построение автоматизированных измерительных систем с использованием современных информационных технологий: /Микроэлектроника и информатика-2005. М.: МИЭТ, 2005

156. Тарасов Р.Ю., Штерн М.Ю. Использование современных информационных технологий при построении автоматизированных измерительных систем Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России, 2005, № 3, с. 66-68