Высокоточные температурные технологии

Наше научно-производственно-коммерческое акционерное общество закрытого типа – «ТЭРИФ» образовано в 1991 г. коллективом, который объединяет то, что все сотрудники в нем были (а некоторые являются и сейчас) студентами и аспирантами МИЭТ – Московского института электронной техники.
  В течение 30 лет учредители предприятия накопили большой опыт в области высокоточных температурных технологий, выполняя заказы аэрокомического и оборонного комплекса.
Температурные технологии объединяют методы получения, способы и средства измерения различных температур; приборы и оборудование, реализующие эти методы; системы управления температурными процессами. Трудно даже представить себе область деятельности, в которой не приходилось бы сталкиваться с этими процессами, в связи с чем возникло и активно развивается научное направление – высокоточные температурные технологии.
В рамках этого направления «ТЭРИФ» совместно с МИЭТ и Координационно-аналитическим центром по межвузовским инновационным и научно-техническим программам (Центр МНТП) реализует проекты в следующих областях:
  • термоэлектричество (материалы и технология термоэлектрических приборов, компьютерное моделирование процессов охлаждения и стабилизации температуры);
  • термометрия (разработка цифровых электронных термометров, создание систем температурного мониторинга);
  • разработка приборов и оборудования для получения различных температур;
  • создание программного обеспечения для разрабатываемых приборов и оборудования;
  • создание систем электропитания и управления (импульсные источники питания постоянного тока, микропроцессорные блоки управления).
Термоэлектрическое направление – одно из основных в деятельности нашего предприятия. Многолетний опыт в области термоэлектричества, а также использование перспективных элементов технологии микроэлектроники в термоэлектрическом приборостроении позволили найти оригинальные решения комплексных задач охлаждения и термостабилизации различных объектов. Основные элементы термоэлектрических охлаждающих систем представляют собой термоэлектрические модули. Состоят они из последовательно соединенных термоэлементов, которые изготавливаются на основе полупроводниковых материалов, обладающих высокой термоэлектрической добротностью. Принцип их действия основан на эффекте Пельтье: поглощении и выделении тепла на спаях термоэлемента при прохождении через него постоянного тока.
Термоэлектрический способ охлаждения обладает преимуществами перед другими способами получения холода – компрессионным и адсорбционным. Это единственный экологически чистый способ охлаждения, а термоэлектрические модули, как и все твердотельные полупроводниковые приборы, имеют практически неограниченный ресурс работы. Термоэлектрические охлаждающие устройства обладают к тому же малыми габаритами и весом, бесшумны, надежны, малоинерционны. Их работа не зависит от ориентации в пространстве, не нуждается в применении хладагентов (фреонов, аммиаков), дает возможность плавно и точно регулировать температуру, изменяя напряжение питания термоэлектрических модулей.
Важное преимущество нашей продукции в том, что она целиком базируется на собственных разработках сотрудников, имеющих ряд патентов в области термоэлектрического приборостроения. Результаты научных исследований позволили создавать термоэлектрические модули с максимальной разностью температур (до 72К) и повышенной надежностью. А впервые разработанная технология термоэлектрических модулей на металл-диэлектрических подложках обеспечивает ряд преимуществ при охлаждении элементов электронной техники.
В настоящее время не реализована и малая часть тех возможностей, которые дает термоэлектрический способ охлаждения. Поэтому мы активно работаем, например, над оптимизацией конструкции термоэлектрических изделий, созданием новых приборов и оборудования, действующих на эффекте Пельтье. Причем стараемся все делать сами. Понадобились для питания термоэлектрических систем высокостабильные источники постоянного тока, и мы разработали ряд регулируемых импульсных источников питания, которые могут быть использованы также, как автономные блоки питания. Для определения основного параметра в наших устройствах – температуры – создан ряд электронных цифровых термометров с различной погрешностью измерения. Для оперативного управления и точной стабилизации температуры термического оборудования разработано несколько вариантов микропроцессорных блоков управления. Единственной серьезной проблемой, которая пока решается с трудом, остается изготовление корпусов и корпусных деталей для наших изделий.
Вот некоторые разработки последних лет. Для температурного воздействия и термостабилизации различных объектов подготовлены программируемые термоэлектрические термостаты, камеры тепла и холода, имеющие следующие параметры. 
Термостаты:
  • диапазон рабочих температур от -60 до +80°С;
  • точность стабилизации температуры ±0,1°С;
  • потребляемая мощность до 750 Вт;
  • рабочий объем до 3 л.
Камеры тепла и холода:
  • диапазон рабочих температур от -50 до +60°С;
  • точность стабилизации температуры ±1°С;
  • рабочий объем 6 л;
  • потребляемая мощность 1500 Вт.
Для аттестации средств измерения температуры разработан ряд калибраторов с характеристиками:
  • диапазон рабочих температур от -75 до +400°С;
  • количество одновременно исследуемых объектов 10;
  • потребляемая мощность до 750 Вт.
Подготовлен ряд переносных и стационарных термоэлектрических холодильников с температурой охлаждения до –10°С в рабочем объеме емкостью от 3 до 50 литров, напряжение питания +12 В, +24 В, +50 В, ~220 В. Разработаны термоэлектрические охладители воздуха для транспортных средств и охлаждения крупногабаритного электронного оборудования. Спроектированы низкотемпературные термоэлектрические камеры для медицинских целей, контейнеры для хранения и транспортировки лекарственных препаратов. C помощью термоэлектрического способа охлаждения возможно получение и стабилизация температур в интервале от -80 до +100°С.
В последние годы большое распространение получили портативные электронные термометры, использующие в качестве датчиков температуры различные виды терморезисторов. Для широкого применения предложены электронные цифровые термометры ТЭН-1, ТЭН-2 и ТЭН-5. В качестве термочувствительного элемента в ТЭН-1 используется фольговый никелевый терморезистор на полиимидной основе с R0=50 Ом. В ТЭН-2 и ТЭН-5 применяются тонкопленочные платиновые термопреобразователи сопротивления (R0=100 Ом и 1 кОм), обладающие высокой стабильностью. В электронных блоках указанных термометров реализован аналоговый способ обработки сигнала. Для ТЭН-1 погрешность измерения температуры составляет ±0,8°С, для ТЭН-2 и ТЭН-5 – ±0,3°С в диапазоне от -50 до +200°С. В этих термометрах значение температуры выводится на жидкокристаллический индикатор с разрешением 0,1°С. Автономное питание (+9В) позволяет непрерывно проводить измерения в течение 160 часов.
Для калибровки и поверки термодатчиков и средств измерения температуры, требующих более точных термометров с расширенными сервисными возможностями, спроектирован многофункциональный микропроцессорный термометр ТЭН-3. Отличительной его особенностью является высокая точность измерения температуры, что позволяет использовать термометр как для непосредственного измерения температуры, так и для калибровки датчиков, поверки средств измерения температуры, измерения электрического сопротивления. Термометр имеет несколько каналов для подключения датчиков температуры. Результаты измерений индицируются на двухуровневом жидкокристаллическом дисплее. С помощью ТЭН-3 можно без дополнительных приспособлений исследовать температурный профиль поверхности или объема. Наличие в термометре функции программирования позволяет использовать в качестве датчика температуры любой терморезистор, с условием, что температурная зависимость сопротивления этого датчика должна быть математически описана. Причем необходимо, чтобы предлагаемое уравнение R=f(T) позволяло воспроизводить температурную зависимость сопротивления с допустимой для данного прибора погрешностью. Таким образом, термометры оперативно могут быть запрограммированы под определенный тип датчиков температуры с учетом конкретных параметров каждого используемого датчика. 
Термометры имеют оперативную память, с помощью которой можно запоминать результаты измерений и воспроизводить их на дисплее. Кроме того, предусмотрена возможность их подключения к компьютеру для обработки данных и графического отображения полученных результатов. Термометр ТЭН-3 имеет двойное питание: постоянного тока +9В и переменного – 220В/ 50 Гц. Интервал измеряемых температур ограничивается в основном датчиками и находится в пределах от –100 до +600°С. Погрешность ТЭН-3 при измерении температуры составляет ±0,1°С и линейно увеличивается на границах интервала до ±0,2°С. Измерения температуры и сопротивления производятся на постоянном токе с изменением его полярности. Величина тока, протекающего через датчик температуры, составляет 0,1 мА, что на порядок ниже известных методов измерения аналогичных параметров. В связи с этим отсутствует эффект самоподогрева датчика. Разрешающая способность индикации температуры – 0,01°С, время измерения температуры на каждом канале не превышает – 0,5 сек.
Для измерения температурного профиля различных объектов и сред изготовлен микропроцессорный многоканальный термометр, позволяющий снимать информацию с 25 датчиков температуры. Он осуществляет сбор информации с последующим дискретным выводом всей или определенной ее части на компьютер, а также программирование режимов измерения с помощью компьютера.
Сейчас в промышленности, научных исследованиях и даже в быту предъявляются повышенные требования к техническим параметрам приборов и оборудования. Наибольшее предпочтение отдается технике, оснащенной микропроцессорными системами. И эта тенденция постоянно усиливается, потенциальный рынок для микропроцессорных систем практически неограничен. Есть и у нас несколько вариантов микропроцессорных блоков, предназначенных для управления по заданной программе и контроля параметров термических приборов, оборудования, а также записи, хранения в памяти и вывода информации на дисплей блока или на компьютер. Предусмотрена подготовка программного обеспечения, позволяющего осуществлять сбор и обработку информации, а также управление приборами и оборудованием с помощью компьютера.
Для микропроцессорных блоков создано программное обеспечение, работающее в средах MS-DOS, MS Windows 95,98, 2000, ME.
В связи с повышенными требованиями к источникам питания и с учетом того, что рынок этих приборов весьма ограничен, мы решили разработать импульсные регулируемые источники питания и уже спроектировали несколько вариантов источников мощностью до 600 Вт, выходным напряжением до 30 В с КПД не менее 80%. Они могут работать в режиме стабилизации как выходного напряжения, так и тока. Источники питания имеют дистанционное управление, корректор мощности и защиту от короткого замыкания.
Технология создания современных процессоров является наиболее прогрессирующей в электронной технике. Основные требования к их параметрам – увеличение быстродействия, главным образом за счет повышения тактовой частоты, и снижение потребляемой мощности. Последнее достигается за счет уменьшения напряжения питания процессоров. Несмотря на стремление фирм-производителей процессоров следовать перечисленным требованиям, каждый новый процессор выделяет все больше мощности, т.е. греется сильнее, что служит главным препятствием его «разгону». Проблемы, связанные с тепловыми режимами, имеются и при эксплуатации видеокарт, винчестеров, CD-ROM, материнских плат и т.д. Таким образом, решение задач обеспечения оптимальных тепловых режимов электронных компонентов компьютеров остается весьма актуальным.
Естественное охлаждение процессоров, в том числе с использованием радиаторов, не дает положительного результата. Принудительное охлаждение современных быстродействующих процессоров с помощью радиатора со встроенным вентилятором (иногда несколькими) также не обеспечивает необходимого теплового режима процессоров. И это, несмотря на то что фирмы-производители затрачивают немалые средства на разработку новых эффективных вентиляторов. Известны случаи охлаждения компьютеров с помощью циркулирующей жидкости или использования компрессионных охлаждающих систем.
  Термоэлектрические системы, которые разработал наш коллектив, позволяют обеспечивать необходимый тепловой режим современных процессоров. Изготовлены и исследованы термоэлектрические устройства для различных типов корпусов процессоров.
Термоэлектрические системы включают в себя элементы Пельтье, теплообменник, датчик температуры, электронные схемы управления и коммутации питания элементов Пельтье. В качестве датчика температуры может быть использован датчик, сформированный в структуре процессора, или автономный, размещенный в критической температурной зоне компьютера. Схемы управления и коммутации монтируются на теплообменнике. В современных конструкциях персональных компьютеров предусмотрен режим увеличения производительности вентиляторов при критических температурных условиях. Этот факт может быть использован в качестве сигнала для включения термоэлектрической системы. В этом случае нет необходимости в изготовлении схемы управления. Термоэлектрический блок конструктивно может быть выполнен для охлаждения как отдельных компонентов компьютера, так и всего внутреннего объема ПК. В первом случае потребляемая мощность термоэлектрической системы не превышает 30 Вт, во втором может достигать 200 Вт.
Все наши устройства (в том числе активного охлаждения процессоров для персональных компьютеров на основе элементов Пельтье) отличаются от известных эффективным конструкционным решением и наличием встроенной системы регулирования питания релейного типа. Это позволяет стабилизировать температуру кристалла процессора с достаточной точностью, избегая конденсации влаги на элементах конструкции, возникающей при одновременном включении компьютера и системы охлаждения.
С решением проблемы охлаждения и стабилизации температуры электронных компонентов компьютеров наше предприятие принимает участие в открытом конкурсе «Наука–технология–производство–рынок» по организационно-тематическому направлению «Малое предпринимательство». До этого наши сотрудники опубликовали более 70 научных трудов, имеют 12 авторских свидетельств и патентов по тематике, связанной с высокоточными температурными технологиями. Разработки коллектива на Международных салонах изобретений были удостоены золотых медалей: в 1998 г. в Женеве, в 1999 – Париже и в 2000 г. в Брюсселе.

Юрий ШТЕРН,
ктн, доцент