Введение к работе
Актуальность проблемы. Перспективы совершенствования систем управления радиотехнических устройств, радиоэлектронной аппаратуры связываются с дальнейшим повышением плотности компоновки, степени интеграции, комплексной миниатюризацией, освоением новых идей и технологий. Все перечисленные направления требуют особого, нетрадиционного подхода к решению проблемы обеспечения нормальных тепловых режимов элементов и устройств, отличающихся температурной чувствительностью или повышенными удельными тепловыми потоками. Причем особую актуальность приобретает эта проблема в случаях, когда высокое качество функционирования радиотехнических систем и элементов обеспечивается в узком температурном диапазоне при реверсировании или охлаждении. На современном этапе развития физических представлений об основных и перспективных способах теплопередачи можно заключить, что определяющей тенденцией развития техники термостабилизации должна являться реализация идеи совершенствования термоэлектрических преобразователей энергии.
Следует отметить, что ни один из существующих вариантов исполнительных элементов систем электротермостатирования не обладает таким набором уникальных свойств (возможность работы в режиме нагрева и режиме охлаждения, сочетаемость с микроэлектронной аппаратурой, экологическая чистота и др.), как термоэлектрические элементы. Но присущие термоэлектрическим микроохладителям недостатки: низкая энергетическая эффективность, дороговизна, специфичность систем управления препятствуют их широкому внедрению в радиоэлектронной аппаратуре.
Поскольку в ближайшее время не просматривается альтернативы термоэлектрическим преобразователям энергии как в плане расширения функциональных возможностей полупроводниковых приборов, так и в плане создания экологически чистых систем охлаждения, то очевидна актуальность проблемы комплексного улучшения технико-экономических показателей термоэлементов, исследования и разработки нового класса термопреобразователей, обладающих повышенной энергетической эффективностью.
Анализ литературных источников по проблемам термостабилизации радиотехнических устройств показывает, что вопросам разработки и совершенствования параметров систем тер-мостатирования уделяется большое внимание, хотя в последнее время число публикаций по этим вопросам значительно сократилось. Ведущие специалисты в области термоэлектричества и электротермостатирования радиотехнических устройств в своих современных работах основное внимание уделяют вопросам совершенствования технологии термоэлектрических полупроводниковых материалов, обеспечивающей увеличение условного показателя — добротности. Практически отсутствуют работы, посвященные анализу различных систем термостатиро-вания (СЭТС) с единых позиций, нет объективной методики сравнительной оценки эффективности СЭТС при решении проблем термостатирования различных объемов, в различных эксплуатационных условиях, в широком диапазоне холодопроизводительности. Это приводит к
проявлению необоснованного консерватизма при решении вопроса выбора перспективных термоэлектрических СЭТС.
Следует отметить, что в связи с широкими перспективами внедрения термоэлектрических преобразователей в сенсорику, измерительную технику, технологию совершенствования приборов с зарядовой связью, в результате которого возможно создание аппаратуры повышенной надежности, точности, быстродействия и новых функциональных возможностей, определилась тенденция разработки и исследования пленочных термоэлементов. При разработке пленочных термоэлементов основное внимание уделяется перспективным соединениям AIVBV1, А В , А' В ', способам формирования в едином технологическом процессе полупроводниковых пленок различного типа проводимости с требуемыми свойствами. Вопросы конструктивного плана и энергопотребления требуют своего решения.
К сожалению, современные технологические возможности не позволили получить качественных, эффективных пленочных термоэлементов. Кроме того, в известных работах рассматриваются традиционные подходы усовершенствования объемных и пленочных термоэлементов. Очень мало работ, где анализируется комплексная задача улучшения технико-эксплуатационных показателей систем термостабилизации радиотехнических устройств, автоматизации процесса проектирования.
Таким образом, хотя в настоящее время вопросам термостабилизации уделяется большое внимание, на проблеме комплексного решения задачи улучшения технико-экономических показателей термоэлектрических СЭТС внимание не акцентируется, нет сквозной программы автоматизации проектирования, и, самое главное, не просматриваются перспективные, нетрадиционные способы существенного улучшения ТЭП термолектрических охладителей, позволяющие в полной мере реализовать всю уникальность их возможностей для совершенствования радиотехнических элементов и устройств, открыть новые функциональные перспективы для микроэлектроники.
Цели и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка теории проектирования радиотехішческих СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями и основ реализации нового класса микроохладителей на основе сегнетотермоэлементов.
Для выполнения поставленной цели решены следующие основные задачи:
разработаны нетрадиционные способы снижения основных составляющих энергопотерь;
разработана теория физических явлений нового класса преобразователей на основе сегнетотермоэлементов;
рассмотрены технологические особенности и основы практической реализации перспективных объемных и пленочных структур сегнетотермоэлементов;
разработана и реализована методика и программа автоматизированного проектирования СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями;
разработана энергетическая модель и тепловая схема замещения адекватно отражающая влияние значимых факторов на общее энергопотребление;
проведена комплексная оценка теоретически возможных способов улучшения технико-экономических показателей термоэлектрических СЭТС;
обобщены и систематизированы достижения в области разработки термоэлектрических СЭТС;
предложена системная оценка эффективности различных терморегулирующнх структур при решении проблем термостатирования различных объемов, в различных эксплуатационных условиях, в широком диапазоне холодопроизводительности;
разработана и рассчитана конструкция нового типа теплоотвода — активного управляемого радиатора;
проведено моделирование СЭТС па основе сегнетотермоэлементов в пакете CSSE;
- реализованы и внедрены экспериментальные образцы.
Научная новизна работы состоит в том, что:
разработана многопараметрическая энергетическая модель, полупроводникового термостата, позволяющая реализовать дифференцированный анализ влияния конструктнвпо-технологических особенностей СЭТС, исполнительного элемента и свойств полупроводникового материала на общее энергопотребление;
впервые введено понятие сегнетотермоэлектрического преобразователя, разработана теория физических явлений и перспектив нового класса преобразователей на основе сегнетотермоэлементов;
рассмотрены технологические особенности и основы практической реализации объемных и пленочных структур сегнетотермоэлементов;
впервые разработаны конструкция и методика расчета активного управляемого радиатора;
доказана возможность и перспективность теплоизоляции с избирательной теплопроводностью, предложен новый способ электротермической и магнитотермической поляризации для обеспечения стабильности свойств теплоизоляции;
- впервые с позиций системного подхода рассмотрен комплекс задач и методов улуч
шения технико-эксплуатационных показателей СЭТС;
- разработана методика автоматизированного проектирования СЭТС с улучшенными
технико-эксплуатационными показателями.
Техническая новизна предложенных решений подтверждается 7 авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- предложен и реализован конкретный комплекс рекомендаций по проектированию
СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями;
впервые реализованы и исследованы образцы пленочных полузамкнутых структур ссг-нетотермоэлементов;
создана инженерная методика автоматизированного проектирования СЭТС;
разработаны и внедрены образцы СЭТС устройств радиотехники и связи с улучшенными технико-эксплуатационными показателями;
предложена технология изготовления в единичном технологическом цикле пленочных сегнетотермоэлементов.
В диссертации защищаются:
новая структура термоэлектрических микроохладителей на основе сегнетотермоэлементов;
энергетическая модель полупроводникового термостата, отличающаяся: разделением общего энергопотребления на группы составляющих, определяемых свойствами полупроводникового материала и сегнетоэлектрического покрытия; конструктивно-технологическими особенностями исполнительного устройства термостата; введением среднего уровігя внутренних потерь, как исходной точки для теоретического и практического определения составляющих модели;
теория проектирования СЭТС на основе сегнетотермоэлементов;
метод экспериментального определения составляющих энергетической модели;
методика проектирования функциональных СЭТС с использованием предложенных в диссертации нетрадиционных решений;
нетрадиционные способы повышения энергетической эффективности СЭТС за счет реализации теплоизоляции с избирательной теплопроводностью.активных управляемых систем теплоотвода, сегнетотермоэлементов;
результаты разработки систем электротермостатирования с улучшенными технико-эксплуатационными показателями: удельными конструктивными и энергопотреблением.
Основные положения работы докладывались на 36 конференциях. За последние 5 лет принято участие в следующих основных конференциях:
Всесоюзная научная конференция "Повышение надежности РЭА с термоэлектрическими микроохладителями".— Москва, 1992.
Международная научно-техническая конференция "Динамика систем механизмов и машин". — Омск, 1995.
Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения".— Новосибирск, 1996.
Российская научно-техническая конференция "Системные методы теории чувствительности, надежности и математического моделирования".— Москва-Сочи, 1996.
III Научно-практическая конференция "Энергосбережение на предприятиях западносибирской железной дороги".— Омск, 1997.
Международная научно-техническая конференция "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий".— Сочи, 1997.
Международная научно-техническая конференция "Динамика систем, механизмов и машин".— Омск, 1997.
Международная научно-техническая конференция "Проблемы оптимизации и экономические приложения".— Омск, 1998.
Региональная научно-практическая конференция "Актуальные вопросы ресурсо-и энергосбережения на железнодорожных предприятиях Сибири".— Омск, 1998.
Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения".— Новосибирск, 1998.
Международная научно-техническая конференция "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий". — Москва-Сочи, 1998.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 78 научных работах, из которых 63 печатные работы, 7 авторских свидетельств и патентов, 7 отчетов по НИР, 1 монография.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 разделов, заключения, списка литературы, включающего 283 наименования, и 7 приложений. Общий объем диссертации составляет 408 страниц, в том числе 231 страницу основного текста, рисунки и таблицы на 107 страницах, приложения на 46 страницах и список литературы на 24 страницах.
