Разработка сильноточных термоэлектрических преобразователей энергии и охлаждающих систем на их основе для нужд радиоэлектроники и медицинской техники.

1. Проведен комплекс исследований, посвященных изучению теплофизических и термомеханических характеристик сильноточных термоэлектрических батарей (ТЭБ). Для улучшения термомеханических характеристик последних предложена слоистая конструкция термоэлементов (ТЭ). За счет отсутствия жесткой фиксации по краям ТЭБ механические напряжения, являющиеся следствием теплового расширения материалов, существенно уменьшаются, что дает возможность использовать меньшее количество ТЭ в ТЭБ при увеличении их размеров и силы питающего электрического тока и сохранении значения холодопроизводительности. Рассмотрена физическая и математическая модель единичного слоистого ТЭ. Последняя построена на основе решения системы дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих многомерную нестационарную задачу теплопроводности для слоистой структуры с граничными условиями второго и третьего рода, а также аналогичную задачу термоупругости, проведен численный эксперимент. На основе результатов математического моделирования и численного эксперимента разработан макет ТЭБ на основе ТЭ слоистой конструкции. Экспериментальные исследования макета ТЭБ проводились с использованием соответствующего измерительного стенда, в состав которого входила электросиловая и измерительная аппаратура. Результаты исследований показали, что слоистая конструкция ТЭ дает возможность существенно улучшить их термомеханические параметры по сравнению с классической П-образной (примерно в 1,7 раз). 2. Разработан метод отвода теплоты от элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловых нагрузок, состоящий в использовании плавящихся рабочих веществ, имеющих большую удельную теплоту плавления и температуру плавления, находящуюся в диапазоне от 308 К до 343 К, с дополнительным теплоотводом посредством сильноточных ТЭБ. В реализующей его системе теплота, выделяемая элементом РЭА поглощается при плавлении рабочего вещества, а ТЭБ используется для интенсификации процесса затвердевания последнего в перерыве работы радиоэлемента. Создана математическая модель системы теплоотвода, построенная на основе решения задачи фазового перехода при плавлении и затвердевании рабочего вещества, а также определения параметров ТЭБ. В результате численного эксперимента установлено, что продолжительность остывания рабочего вещества и охлаждение элемента РЭА в случае применения ТЭБ существенно меньше их времени остывания при естественном теплообмене с окружающей средой (для парафина это отношение составило два раза). 3. Разработан метод неравномерного охлаждения электронных плат, основанный на совместном использовании плавящихся рабочих веществ и сильноточных ТЭБ. Особенностью реализующей его системы охлаждения является наличие основного отвода теплоты от элементов РЭА, входящих в состав электронной платы, в плавящееся рабочее вещество и дополнительное охлаждение наиболее тепловыделяющих объектов посредством ТЭБ. При построении математической модели системы неравномерного охлаждения электронных плат помимо исследования процессов плавления и затвердевания рабочих веществ решалась задача оптимизации температурного поля пластины с дискретными источниками и стоками тепловой энергии. В соответствие с расчетами определено, что применение неравномерного охлаждения электронных плат в 1,6 раз уменьшает необходимую мощность ТЭБ для обеспечения требуемого температурного режима элементов РЭА. 4. Исследована методика теплового воздействия на отдельные зоны человеческого организма с использованием сильноточных ТЭБ. В системах, дающих возможность их осуществления, сильноточные ТЭБ выполняют функции источника холода (теплоты) и обеспечивают как равномерное охлаждение и нагрев биологического объекта, так и чередование тепловых режимов воздействия. Исследованы ТЭС для теплового воздействия на биологически активные точки и отдельные зоны тела человека, его внутренние полости, созданы математические модели приборов. 4.1. При разработке математической модели ТЭС для теплового воздействия на биологически активные точки и рефлексогенные зоны рассмотрен одномерный случай нестационарной задачи теплопроводности для структуры, включающей в себя слои: биологический объект, наконечник и ТЭБ. В соответствие полученными данными определено, что обеспечить температуру биологически активной точки в диапазоне от 280 К до 310 К можно при удельной мощности ТЭБ до 10000 Вт/метр в квадрате за время не превышающее 80 с. 4.2. Создана модель термоэлектрической системы (ТЭС) для теплового воздействия на отдельные зоны поверхности тела человека, учитывающая возможность контрастного как в пространстве, так и во времени теплового воздействия. В ТЭС входит высокотеплопроводное плоское основание, на которое крепятся ТЭБ, система отвода теплоты от последних. Математическая формулировка задачи расчета температурного поля зоны поверхности тела человека при тепловом воздействии посредством ТЭС осуществлена на основе модели пластины с дискретными стоками тепловой энергии. В результате численного эксперимента установлено, что обеспечить изменение температуры отдельных зон поверхности тела человека с помощью ТЭС можно в пределах от 285 К до 316 К при удельной мощности ТЭБ до 2000 Вт/метр в квадрате за время в диапазоне от 7 до 8 мин. 4.3. Разработана ТЭС и ее тепловая модель ТЭС для внутриполостного теплового воздействия. ТЭС включает в себя две ТЭБ (основную и дополнительную), соединенные между собой цельнометаллическим теплопроводом, одна из ТЭБ на холодных спаях имеет наконечник, вторая ТЭБ на горячих спаях - систему отвода теплоты. Математическая модель ТЭС представляет собой систему квазистационарных уравнений теплопроводности. На основе расчетов определено, что понизить температуру биологического объекта с помощью ТЭС до 253 К возможно при токе питания основной ТЭБ 50 А, а дополнительной - 20 А за время порядка 90 с. 5. Теоретические результаты по рассмотренным пунктам 2-4 проверены экспериментальным путем. Для этого создан стенд и методика проведения измерений для проведения натурных испытаний разработанных ТЭС. В состав экспериментального стенда вошли электросиловое оборудование, многоканальный измеритель температуры, подключаемый к ПЭВМ, измерители электрических величин, непосредственно лабораторные образцы ТЭС. Результаты натурных испытаний ТЭС подтвердили достаточную точность разработанных математических моделей. В целом проведенные исследования показали перспективность применения в охлаждающих системах, в том числе предназначенных для обеспечения температурных режимов работы радиоэлектронной аппаратуры и в медицине, предложенную конструкцию сильноточных слоистых ТЭБ, а также их типовую конструкцию.