Анотація до роботи:

Безверхов Д.Б. Каскадні термоелектричні охолоджувачі для об'єктів напівпровідникової оп-тоелектроніки. - Рукопис. Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.14 – “Холодильна і криогенна техніка, системи кондиціювання. - Одеська дер-жавна академія холоду”, Одеса, 2002.

У дисертації подані результати досліджень, спрямованих на створення каскадних термо-електричних охолоджувачів (ТЕО) для інтенсивних (локалізованих) і розподілених (планарних) об'єктів напівпровідникової оптоелектроніки. Розроблено нові модельні наближення, узагальнені методи й алгоритми розрахунку й оптимізації каскадних ТЕО, що враховують специфіку опто-електронних застосувань. Досліджено різні конфіґурації каскадних ТЕО, включаючи відомі схеми послідовного і паралельного з'єднання каскадів і їх можливі комбінації з погляду перспектив їхнього використання для охолодження різноманітних видів оптоелектроних елементів. Описано методи узгодження їх параметрів з об'єктами охолодження. Результати досліджень використані при створенні каскадних ТЕО для елементів напівпровідникової оптоелектроніки за договором із французькою компанією “Marvel Thermoelectrics” і при виконанні контракту з Інститутом Космічної Астрофізики Франції.

1. На основі узагальненої моделі каскадного ТЕО доведено, що всі схеми електроживлення каскадів, включаючи традиційне послідовне, паралельне і розгалужене з'єднання, а також їх можливі комбінації, характеризуються потенційно однаковим рівнем граничної енергетичної ефективності.

2. Термічний опір міжкаскадних підкладок є основним джерелом необоротних втрат у ТЕО з послідовним живленням каскадів. Це стосується, у першу чергу, охолоджувачів із короткими гілками, призначених для охолодження таких локалізованих джерел теплоти як напівпровідникові лазери, підсилювачі потужності й інші об'єкти з гранично високою густиною тепловиділень.

3. На основі моделі тривимірного розтікання теплоти в міжкаскадній підкладці встановлено існування її оптимальної товщини, що відповідає мінімальному термічному опорові. Показано, що виконання умов оптимальності дозволяє істотно підвищити ефективність каскадного охолодження і збільшити досяжний перепад температур.

4. Вперше розроблено алгоритм методу послідовних наближень для оптимізації каскадного ТЕО, що поєднує у собі ров'язання крайових задач для рівняння тривимірної стаціонарної тепло-провідності в міжкаскадних підкладках із ров'язанням системи рівнянь балансу теплоти на межах каскадів. Розроблені теоретичні підходи, використані при створенні каскадного ТЕО для напівпро-відникового лазера з густиною потоку теплоти, що дорівнює 5 МВт/м².

5. Показано, що використання принципу розгалуженого живлення дозволяє реалізувати каскадні ТЕО з близькими і навіть однаковими числами гілок по каскадах. Це, а також мінімальні втрати на міжкаскадних підкладках, визначає перевагу цих схем і створює основу для розробки но-вих конфіґурацій низькотемпературних ТЕО, узгоджених у розмірах із такими об'єктами охолод-ження, як ПЗЗ-матриці, ІЧ-детектори, фотоприймальні матриці й інші планарні елементи оптоелектроніки.

6. На основі аналізу характеристик кращих існуючих ТЕ матеріалів доведена можливість створення чотирикаскадного ТЕО з однаковими площами каскадів для охолодження матриці фото-приймача розміром 25х25 мм до температурного рівня 120 К (T_h=160 K, Q_c=50 мВт) при підвідній потужності, меншої від 2 Вт. Показано, що реалізація цього проекту можлива тільки при використанні схеми з розгалуженим живленням.

7. Доведена теоретично і підтверджена експериментально можливість підвищення перепаду температур і холодопродуктивності ТЕО при використанні схеми розгалуженого живлення каскадів, коли тільки частина гілок каскаду підключається паралельно іншим каскадам, а інша частина з'єднується з ними послідовно. Встановлено існування оптимального співвідношення кількості гілок у послідовній і паралельній секціях, що відповідає максимальній ефективності каскадного ТЕО. Розроблено експериментальні зразки ТЕО з розгалуженим з'єднанням каскадів. Показано, що застосування цих схем дозволяє уникнути неприпустимого зростання чисел гілок у високотемпературних каскадах. На зразку трикаскадного ТЕО з однаковими площами каскадів досягнуто перепад температур 122 К (T_h=303 К). Застосування схеми з розгалуженням струму в нижніх ступенях шестикаскадного охолоджувача дозволило досягти перепаду температур, більшого за 152 К при відносно невеликої кількості гілок у високотемпературних каскадах.

Основний зміст роботи викладено в таких публікаціях:

1. Semenyuk V, Bezverkhov D, “Modeling and Minimization of Intercascade Thermal Resistance in Multi-Stage Thermoelectric Coolers”, Proc. of the 16th Int. Conf. on Thermoelectrics (ICT’97), Dresden, Germany, 1997, IEEE (1998) pp. 701-704.

2. Vladimir A. Semenyuk, Dmitri B. Bezverkhov. “Cascade Thermoelectric Coolers with Branched Electrical Feed”, Proc. of 4^th European Workshop on Thermoelectrics (ETS’98), Madrid, Spain, 1998, pp. 33-37.

3. Безверхов Д.Б. “Моделирование межкаскадного термического сопротивления в каскадных тер-моэлектрических охладителях ”, “Холодильна техніка та технологія”, №1, вип.59, 1998, ОДАХ.

4. Безверхов Д.Б. “Оптимизация термоэлектрического охладителя с учетом термического сопро-тивления между каскадами”, “Холодильна техніка та технологія”, №2, вип.59, 1998, ОДАХ.

5. Безверхов Д.Б. “Об учете термического сопротивления межкаскадных подложек при расчете каскадных термоэлектрических охладителей”, “Холодильна техніка та технологія”, вип.64, 1999, ОДАХ.

6. Bezverkhov D.B. “Cascade thermoelectric systems with branched electrical feed”, “Journal of Thermoelectricity”, N3, 2000, pp. 60-75.