Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0202

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0202
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет"
Название доклада
Разработка элементов гибридной системы локальной термостабилизации электронных модулей на основе микроканальных теплообменников и термоэлектрических преобразователей
Докладчик
Дроздов Игорь Геннадьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проблема, на решение которой направлен проект - повышение надежности эксплуатации электронных модулей телекоммуникационного оборудования в условиях воздействия низких температур и перегрева.
Цель проекта - разработка элементов гибридной системы локальной термостабилизации на основе микроканальных теплообменников с пористыми элементами и термоэлектрических преобразователей с заданной холодопроизводительностью, обеспечивающих стабильную работу электронных модулей.
Задачи проекта - выбор и обоснование термоэлектрических материалов для экспериментального образца термоэлектрического модуля охлаждения (ТЭМО); анализ способов интенсификации теплообмена в элементах гибридной системы локальной термостабилизации; изготовление и исследование экспериментальных образцов термоэлектрических материалов р- и n- типов проводимости; разработка математических моделей и моделирование процессов в элементах гибридной системы; разработка и изготовление экспериментального стенда для проведения теплогидравлических исследований гибридной системы; разработка эскизной конструкторской документации, изготовление и исследование экспериментальных образцов элементов системы; разработка, изготовление и исследование макета гибридной системы локальной термостабилизации; верификация математических моделей по результатам экспериментальных исследований; оптимизация макета гибридной системы локальной термостабилизации; разработка технических требований и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - АО "РИФ", г. Воронеж.
Актуальность и новизна исследования
Развитие электронной промышленности характеризуется выходом нового поколения аппаратуры, отличающейся компактностью и, как следствие, возрастающей тепловой нагрузкой. Возникают задачи создания систем тепловой защиты, соответствующих данным условиям. Следует учесть и то, что внешние условия работы электронной аппаратуры соответствуют температурному диапазону окружающей среды -40…+60 гр.С. Таким образом, возникает задача термостатирования электроники, которая может быть решена с применением гибридной системы, включающей замкнутую систему с жидким теплоносителем и термоэлектрическим модулем, позволяющим повысить эффективность работы системы охлаждения и, при необходимости, осуществить подогрев.
Описание исследования

При выполнении 2 этапа проекта применялись методы математического моделирования для построения моделей рабочих процессов элементов гибридной системы локальной термостабилизации.

Для разработки экспериментального стенда использованы отработанные методы инженерного проектирования пневмогидравлических систем. Конструкторская документация разрабатывалась согласно нормативной документации.

Результаты исследования

На основании аналитического обзора современной научно-технической литературы сделан выбор в пользу микроканальных теплообменников на основе пористых элементов. Данный выбор подтверждается сравнительной оценкой эффективности возможных вариантов теплообменников.

При проведении выбора и обоснования направлений исследования предложены варианты схем гибридной системы локальной термостабилизации с применением микроканального теплообменника и термоэлектрического модуля охлаждения (ТЭМО) в едином гидравлическом контуре. Применение ТЭМО позволяет осуществить термостабилизацию системы как в условиях высоких температур окружающей среды (в качестве источника дополнительного охлаждения), так и в условиях низких температур при запуске электронного оборудования (в качестве локального источника нагрева).

В качестве термоэлектрических материалов целесообразно использовать твердые растворы на основе теллурида висмута n-Bi2Te3-xSex и p-Bi0,5Sb1,5Te3, т.к. они являются высокоэффективными в требуемом диапазоне рабочих температур.

Установлено, что интенсификация теплообмена в системе может быть достигнута за счет применения пористых и микроканальных элементов, пульсационных эффектов течения теплоносителя, фазового перехода при критических режимах работы, а также использования интенсифицирующих элементов на теплообменных поверхностях системы.

Проведенные патентные исследования показали, что наиболее близкие к разрабатываемой системе технические решения представлены на уровне идеи и не подтверждены какими-либо патентами в РФ и за рубежом.

Для изготовления экспериментальных образцов термоэлектрических материалов разработана технологическая инструкция, одной из ключевых особенностью которой является применение способа вакуумного прессования. На основании данной инструкции получены экспериментальные образцы, изготовление которых произведено на разработанной и изготовленной технологической оснастке для «холодного» и «горячего» прессования, зонной перекристаллизации и закалки из жидкого состояния термоэлектрических материалов.

По разработанной программе и методикам исследовательских испытаний проведены исследования свойств термоэлектрических материалов с применением уникальных установок. Исследования показали, что наилучшими термоэлектрическими свойствами обладают следующие материалы: n-типом проводимости - Bi2Sе0,3Te2,7 и р- типом проводимости - Bi0,5Sb1,5Te3,2. Данные исследования подтвердили показатель термоэлектрической эффективности материала на уровне не менее 2,5·10-3 К-1.

Показатели соответствуют результатам аналогичных работ, определяющих мировой уровень. По результатам проведения 1 этапа работ подана заявка на изобретение.

В результате выполнения 2 этапа работ разработаны математические модели элементов гибридной системы локальной термостабилизации, на основе которых проведено моделирование рабочих процессов. Математические модели отличаются оригинальностью постановки задачи и позволяют рассчитывать конструктивные параметры системы при заданных значениях тепловой нагрузки.

Разработан экспериментальный стенд, который предназначен для проведения теплогидравлических исследований гибридной системы локальной термостабилизации.

Разработан и изготовлен экспериментальный образец ТЭМО по следующим требованиям: холодильный коэффициент не менее 0,7; отопительный коэффициент не менее 1,5.

Практическая значимость исследования
Гибридная система локальной термостабилизации предназначена для защиты электронных модулей телекоммуникационного оборудования от перегрева и воздействия низких температур. Может применяться в наземных комплексах управления космическими аппаратами, базовыми станциями связи, а также любой другой микроэлектронной аппаратуры.
На основе договора с индустриальным партнером результаты, полученные в ходе проведения ПНИЭР будут внедрены в производство АО "РИФ", г. Воронеж.
Потенциальными потребителями данной разработки могут быть производители микропроцессорной техники («ВЗПП-Микрон», ГК «Sitronics», Samsung Electronics, Qualcomm) и производители оборудования сотовой (системы скоростной передачи данных 3G, 4G) и космической связи (Концерн «Созвездие», ГК «Ростехнологии»).
Гибридная система локальной термостабилизации должна обеспечить существенную экономию ресурсов электропитания телекоммуникационного оборудования, а также надежность и время непрерывной работы за счет перехода к локальной (точечной) термостабилизации компонентов критичных к тепловому режиму. Это позволит развивать телекоммуникационную инфраструктуру Российской Федерации, в том числе за счет освоения территории Сибири и Крайнего Севера.
Постер

Poster_ВГТУ.ppt