СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2016

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2016 между жидкостным и воздушным (принудительным) способами отве- дения тепла для термоэлектрических генераторных модулей можно считать значение теплового сопротивления < 1 К/Вт, которому соответствуют изде- лия ТГМ-199-1,4-0,8, ТГМ-199-1,4-1,15, ТГМ-127-1,4-0,8 и другие [7]. 2. Модули для отвода тепла с помо- щью радиаторов с принудительным воздушным охлаждением занимают условную область тепловых сопротив- лений от 1 К/Вт до 2 К/Вт, чему соот- ветствуют изделия ТГМ-199-1,4-1,5, ТГМ-199-1,4-2,5, ТГМ-127-1,4-1,5 и дру- гие [7]. 3. Модули для отвода тепла с помо- щью радиаторов с конвекционным воз- душным охлаждением. Следуя приве- дённой методике, такие модули долж- ны иметь тепловое сопротивление свыше 2 К/Вт. Этому значению соот- ветствуют, например, изделия ТГМ-199- 1,4-3,2, ТГМ-199-1,4-3,5, ТГМ-127-1,4-2,5 и другие [7]. При меньшей вырабаты- ваемой мощности, но хорошем согла- совании теплового сопротивления радиатора с тепловым сопротивлени- ем ТГМ, такие модули позволяют реали- зовать максимальную эффективность. Это важно при преобразовании слабых тепловых потоков. Описание конструк- ции термоэлектрического генератора с воздушным конвекционным тепло- обменом и результаты его испытаний приведены в статье [9]. На сайте [7] раз- мещена в свободном доступе програм- ма, позволяющая рассчитывать термо- электрические системы охлаждения. В рамках этой программы выделен в отдельный раздел расчёт тепловых сопротивлений радиаторов различ- ных конструкций. Подробное описа- ние работы с данной программой мож- но найти в статье [6]. За рамками данного раздела остал- ся немаловажный фактор, определя- ющий выбор модуля – его стоимость. Зачастую она вносит свои коррективы в окончательный вариант конструкции. О СОБЕННОСТИ УСТАНОВКИ ТГМ Установка ТГМ сопряжена с необ- ходимостью выполнения целого ряда условий, обеспечивающих надёжную и эффективную работу генератора. Необ- ходимым условием является выпол- нение качественного механическо- го сопряжения деталей конструкции: чем выше класс механической обра- ботки деталей конструкции, через которые тепло проходит от источни- ка через ТГМ в радиатор холодной сто- роны, тем больше точек механическо- го контакта деталей и тем выше тепло- проводность. При сборке генератора применяют теплопроводящую пасту, замещающую воздух в тех местах, где нет непосредственного механического контакта, однако её теплопроводность на порядок меньше теплопроводно- сти сопрягаемых деталей. Увеличение точек соприкосновения обеспечива- ется равномерным стягиванием кон- струкции с помощью резьбовых сое- динений. Рекомендованные усилия прижима ТГМ приводятся на интернет- страницах производителей [7]. Важным параметром расчёта кон- струкции генератора является тепло- вой коэффициент расширения деталей генератора, поскольку в процессе рабо- ты происходит неравномерный нагрев его частей. Это приводит к неравномер- ным тепловым расширениям, кото- рые могут стать причиной ослабления усилия прижима ТГМ и его перегрева, излишнего усилия сжатия и даже меха- нического разрушения. Для компенса- ции теплового расширения применя- ют специальные пружины с резьбо- выми стяжками (см. рис. 5). Варианты установки ТГМ с различными видами пружинных компенсаторов описаны в статье [9]. Р ЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ТГМ Как правило, поставщики ТГМ приво- дят в справочной литературе расчётные значения вырабатываемой электриче- ской мощности при заданных темпера- турах горячей и холодной сторон моду- ля. В них учтены потери на керамике и теплопроводном материале между модулем и радиаторами [7]. Некоторые производители публикуют расчётные данные для предельных температур на спаях ТГМ (без учёта потерь на кера- мических пластинах и теплопроводя- щей пасте). Такой подход, как мини- мум, создаёт дополнительные пробле- мы разработчикам (необходимость учёта неизвестных тепловых сопротив- лений частей ТГМ) и вводит в заблуж- дение относительно реальных техни- ческих характеристик проектируемого генератора, в ряде случаев, принципи- ально недостижимых. В этой связи наи- больший интерес представляют резуль- таты испытаний изделий, проведённые в заводских условиях, и их соответствие расчётным значениям [7]. Тепловое сопротивление ТГМ состо- ит из «полезного» теплового сопротив- ления полупроводникового матери- ала. Чем оно выше, тем эффективнее тепловой поток преобразуется в элек- трическую энергию. К нему прибавля- ется сопротивление керамики, которое для мощных ТГМ с относительно низ- кими термоэлектрическими элемента- ми (ветками) становится соизмеримым с тепловым сопротивлением, вносимым термопарами. Уменьшение толщины керамики ограничено характеристи- ками прочности и надёжности. Для специальных применений, в которых стоимость не является первостепен- ным фактором, возможно изготовле- ние ТГМ с керамическими основаниями из нитрида алюминия (в стандартных ТГМ используются керамические под- ложки из 96-процентного оксида алю- миния). Стоимость таких модулей при- Таблица 2. Расчётные значения мощности термоэлектрических генераторных модулей Тип модуля A, мм B, мм H, мм R ас , Ом R ас при 22°С, Ом R t , К/Вт U, В I, А P, Вт η , % ТГМ-127-1,0-0,8 30 30 3,1 1,84 1,29 1,69 3 1,66 5,1 4,7 ТГМ-127-1,0-1,3 30 30 3,6 3 2,1 2,7 3,4 1,12 3,8 5,1 ТГМ-127-1,0-2,5 30 30 4,8 5,8 4 5 3,7 0,63 2,3 5,4 ТГМ-127-1,4-0,8 40 40 3,1 0,95 0,66 0,87 3 3,1 9,4 4,6 ТГМ-127-1,4-1,2 40 40 3,5 1,42 0,99 1,28 3,3 2,3 7,5 4,9 ТГМ-127-1,4-1,5 40 40 3,9 1,89 1,31 1,69 3,4 1,81 6,2 5,1 ТГМ-127-1,4-2,0 40 40 4,3 2,4 1,64 2,1 3,5 1,5 5,3 5,3 ТГМ-127-1,4-2,5 40 40 4,8 3 2 2,6 3,6 1,23 4,5 5,4 ТГМ-127-2,0-1,3 48 48 3,6 0,75 0,53 0,69 3,1 4,1 12,6 4,7 ТГМ-199-1,4-0,8 40 40 3,2 1,46 1,03 0,57 4,1 2,8 11,4 4,1 ТГМ-199-1,4-1,15 40 40 3,6 2,1 1,48 0,81 4,6 2,2 10 4,6 ТГМ-199-1,4-1,2 40 40 3,7 2,2 1,54 0,84 4,6 2,1 9,8 4,6 ТГМ-199-1,4-1,5 40 40 4,1 2,9 2 1,12 5 1,69 8,4 4,9 ТГМ-199-1,4-2,0 40 40 4,4 3,7 2,6 1,39 5,2 1,41 7,3 5,1 ТГМ-199-1,4-2,5 40 40 4,9 4,6 3,2 1,72 5,4 1,17 6,3 5,2 ТГМ-199-1,4-3,2 40 40 5,7 5,9 4,1 2,2 5,6 0,94 5,3 5,4 ТГМ-199-1,4-3,5 40 40 6 6,5 4,5 2,4 5,6 0,87 4,9 5,4 Т хол. стороны = 30°С; Т гор. стороны = 200°С (максимальная рабочая температура)