По результатам патентного поиска были выявлены следующие технические решения, демонстрирующие современные тенденции развития. Так, в патенте RU 2367873 предлагается устройство содержащее стенку и соединенную с ней стенку из пористого материала. В пористой стенке имеются каналы для подвода и отвода среды. Решение позволяет снизить массу конструкции. Подвод (или отвод) тепла в пористую деталь осуществляется теплопроводностью от непроницаемой теплообменной (нагреваемой или охлаждаемой) стенки. Контакт стенки с пористой деталью имеет минимальное тепловое сопротивление. Поток среды, проходя по пористой структуре, нагревается, охлаждая стенку, или охлаждается, нагревая ее. Заявка на патент 2014117546/07 представляет интерес с точки зрения интенсификации теплообмена, в которой описано устройство охлаждения многослойной керамической платы, представляющее из себя полость внутри керамических слоев платы и образованной пористой структурой (пористой лентой) с совокупностью каналов и помещенной между верхними и нижними слоями платы. Пористая лента в верхних слоях соединена с теплоотводами с помощью тепловых перемычек. В заявке на патент RU 2012134381/07 показана объединенная подложка с жидкостным охлаждением и способ ее изго-товления. В состав входит металлическая базовая пластина, которая соединена с радиатором из пористо-трубчатого элемента за счет пайки твердым припоем. Увеличение площади поверхности теплообмена является одним из перспективных направлений в области теплообменных устройств. Так, в патенте RU 121915 представлено устройство, содержащее пластину с медными ребрами с выступами, которые расположены параллельно диагонали. Патент RU 2273970 представляет интерес с точки зрения организации движения теплоносителя и интенсификации теплоотвода. Устройство имеет малое гидравлическое сопротивление. Каналы выполнены с использованием формы меандра, а теплоотводящее основание включает полости с установленными в них сопряженными с крышкой вкладышами, формирующими форму канала. Указанные каналы соединены в параллельно-последовательную схему движения жидкого хладагента. В патенте US 8081461 представлено охлаждающее устройство на основе пористого материала, которое включает теплопроводящий пористый материал, через который течет охлаждающая жидкость. Теплопроводный пористый материал (например, вспененный металл) соединен с поверхностью электронного устройства, выделяющего тепло для его охлаждения. Подача охлаждающей жидкости в пористый металл осуществляется через одно или несколько струйных сопел. В пористой структуре происходит вскипание жидкого хладагента, что ускоряет процесс теплообмена и охлаждения электронного устройства. В патенте RU 2011126276 предлагается устройство, которое содержит верхнюю и нижнюю крышки, теплопроводное тело между ними, сужающуюся входную распределительную камеру для приема хладагента, множество входных и выходных С-образных коллекторов. В теле расположено множество миликаналов, имеющих округлую, круговую, трапециевидную, треугольную и прямоугольную формы. Такая организация подвода и отвода охладителя позволяет снизить гидравлическое сопротивление системы охлаждения. В патенте US 7694723 представлен водяной блок, в котором имеется канал с камерой, которая снабжения впускным и выпускным трубопроводом. В верхней поверхности канала имеется мембрана. Переключатель расположен на мембране для управления ее движением вверх и вниз. В результате этого среда движется в одном направлении. В заявке на патент RU 2012145129/07 представлен жидкостной охладитель, который состоит из корпуса с подводом и отводом охладителя. В каналах для охладителя установлены турбулизаторы в виде спирали из проволоки или плоской ленты. Это позволяет интенсифицировать теплообмен. Патент 2263865 представляет интерес с точки зрения улучшения теплообменной поверхности теплообменника и является по сути блоком пластин, снабженный каналами подачи и отвода охлаждающей жидкости. На внутренней поверхности пластины-основания сформированы углубления, а каналы для охлаждающей жидкости в виде дугообразных полостей выполнены в пластине-крышке. Интересен патент US 6807057, в котором представлен аппарат и метод для охлаждения электронного устройства. Техническое решение основано на использовании двух потоков воздуха так, что один из них переходит во второй и приводит к улучшенному охлаждению. Тенденции развития исследуемой области также заключаются в технических решениях представленных в заявке на патент 2009104046/08 в которой предлагается использовать углекислоту для охлаждения, при этом теплообменник имеет вид оребренного змеевика и устанавливается в воздушном канале. Патент US 7104313 «Устройство для использования жидкости с наночастицами для применения в охлаждении электроники» техническое решение заключается в использовании жидкости с наночастицами для охлаждения электронных компонентов. Как один из вариантов применяется электромагнитный насос для циркулирования жидкости. Устройство содержит один ТОА для отвода от теплонапряженного элемента и один ТОА с вентилятором для отвода теплоты в окружающую среду.
Анализ научно-технической информации позволяет выявить основные тенденции в области разрабатываемой техники в части расчетно-конструктивных характеристик, выявления основных закономерностей при различных режимах работы систем охлаждения (нагрева) и их элементов. Так, в работе «Экспериментальное и расчетное исследование гидродинамики и теплоотдачи в плоском канале переменной ширины для случаев гладкой и интенсифицированной поверхности» авторами приводятся результаты экспериментального и расчетного исследования сопротивления и теплоотдачи в плоском канале переменной ширины при конфузорном и диффузорном течении при весьма малых углах схождения (расхождения). Результаты получены как для гладкой поверхности, так и для поверхности с луночной интенсификацией. Экспериментально показано, что для длинных каналов эффекты ламинаризации и неустойчивости течения проявляются даже при углах порядка 1-2°. Но заметное влияние наблюдается лишь на коэффициент сопротивления, в то время как теплоотдача ведет себя практически так же, как в отсутствие ускорения как для гладкой, так и для интенсифицированной поверхности. Проведенный численный анализ конвективного теплообмена в суживающемся узком канале с пакетом из 15 конических лунок на одной из его стенок в целом подтвердил данные физического эксперимента по опережающему росту теплоотдачи по сравнению с увеличением гидравлического сопротивления. Установлен эффект синхронизации вихревого течения в лунках. В работе «Сравнительный анализ эффективности интенсификаторов теплоотдачи» рассмотрена литература, по интенсификаторам теплоотдачи и критериям оценки их эффективности. Проведена сравнительная оценка эффективности интенсификаторов на основе коэффициента М.В. Кирпичева. Как результат, представлена новая научно-техническая информация по интенсификаторам, полезная для теории и практики энергомашиностроения. Работа «Численное моделирование смерчевого теплообмена на рельефах с лунками» представляет интерес для интенсификации теплообмена. При решении факторизованным многоблочным конечно-объемным методом уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью зональной модели турбулентности Ментера, и уравнения энергии проведено численное исследование конвективного теплообмена в плоскопараллельных узких каналах с нанесенными луночными покрытиями на одной из стенок. Детально изучено влияние на вихревую динамику и рост теплоотдачи глубины уединенной сферической лунки. Показано, что асимметризация картины обтекания лунки обуславливает фактически скачкообразное увеличение теплоотдачи при гидравлических потерях, характерных для гладкого канала. Установлена взаимосвязь синхронизации крупномасштабных вихревых структур, самогенерирующихся в пределах пакета из 15 лунок, и высоким уровнем интенсификации теплообмена. Подтвержден экспериментальный факт, что увеличение теплоотдачи (2.4 раза) значительно опережает рост гидравлического сопротивления (1.4 раза). Пульсация охладителя является одним из направлений развития интенсификации процессов теплообмена, поэтому такие работы как «Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в каналах капиллярных размеров при пульсирующем характере движения теплоносителя», «Численное исследование теплообмена при взаимодействии плоской пульсирующей струи с изотермической пластиной», «Тепловые и гидродинамические процессы в пульсирующих турбулентных течениях в каналах» представляют значительный интерес для разработки. Здесь описана описана экспериментальная установка, конструктивные характеристики рабочих участков, методика и результаты экспериментальных исследований гидродинамики и теплообмена в капиллярных каналах при пульсирующем характере движения теплоносителя. Представлены характерные температурные режимы капиллярных каналов в зоне подвода и отвода тепла. Приближенное математическое описание процесса теплообмена базируется на гипотезе о контактном теплообмене. В другой работе изучены воздушные струи, создаваемые разного рода вентиляторами, широко применяются для охлаждения электронной аппаратуры. Однако использование вентиляторов в микроэлектронике (сотовые телефоны, портативные компьютеры и т.д.) часто оказывается невозможным из-за малых размеров приборов. Был предложен оригинальный способ создания нестационарных (с пульсирующим расходом) струй, не требующий применения каких-либо вентиляторов, сопловых аппаратов или компрессоров. Вместо этого предлагается использовать миниатюрный электромагнитный соленоид, создающий пульсирующую воздушную струю, истекающую из прикрепленной к нему пластины с отверстием. С помощью такого устройства удалось успешно охладить процессор современного портативного компьютера. При этом по чисто техническим причинам частота пульсаций скорости струи составляла примерно 100 Гц (в этом случае система обеспечивала максимальную скорость струи), но никаких данных о влиянии частоты пульсаций расхода на эффективность охлаждения получено не было. Очевидно, что исследование этого вопроса необходимо для оптимизации охлаждающих систем, основанных на описанном принципе. Кроме того, оно представляет определенный теоретический интерес. В работе «Исследование применения кипящего слоя в системах охлаждения полупроводниковых структур» предложен один из методов интенсификации теплообмена, применяемый в промышленных котельных установках или теплообменных аппаратах. На основе полученных экспериментальных данных проведено расчетное исследование эффективности охлаждения полупроводниковых приборов кипящим слоем. Для увеличения теплосъема поверхности радиаторов полупроводниковых приборов выполнены с оребрением в виде круглых ребер постоянной толщины. Предложена методика расчета температур стенки у основания ребра.
Развитием основных способов охлаждения теплонапряженных элементов, воплощенных в конструкции стали пористые теплообменные элементы. Так, в работе «Моделирование гидродинамики течения охладителя в пористом элементе с криволинейной границей» представлена математическая модель гидродинамики течения охладителя в пористом элементе, учитывающая геометрию внешних границ. Рассмотрены пористые элементы с разнесенными коллекторами разного типа, произведен вычислительный эксперимент, определено распределение полей давления и скорости в пористом элементе с криволинейной границей. Работа «Экспериментальные исследования гидродинамики и нестационарного теплообмена в пористых элементах с локальными зонами» посвящена созданию экспериментальных установок и методики проведения исследований гидродинамики и нестационарного теплообмена в пористых компактных теплообменниках. Предложена новая конструкция системы тепловой защиты плазмотрона с использованием пористых элементов различных конфигураций. На основе проведенных опытов определены оптимальные характеристики, резервы повышения эффективности работы плазмотрона.
По результатам патентного поиска были выявлены следующие технические решения, демонстрирующие современные тенденции развития в области насосов, теплоносителей, систем управления, автоматики и регулирования. Патент RU 2495282 представляет интерес, т.к. описывает конструкцию многоступенчатого пластинчатого насоса, который включает последовательно размещенные на общем валу ступени, способных обеспечить высокое давление на выходе при атмосферном давлении на входе. Каждая ступень насоса содержит ротор, статор, рабочие камеры, разделительные пластины, перемещающиеся в пазах, расположенных в диаметральной плоскости, нижнюю крышку, верхнюю крышку. Разделительные пластины связаны синхронизирующим элементом. Входные и выходные окна в крышках ступени расположены напротив ее рабочих камер по разные стороны от разделительных пластин. Торцы крышек соседних ступеней состыкованы с образованием кольцевой полости, которая сообщена с кольцевым зазором предыдущей ступени. Патент RU 155633 представляет интерес, т.к. описывает конструкцию мембранного насос-дозатора, содержащий катушку соленоида, а также подвижный якорь и неподвижный статор, которые смонтированы соосно и связаны между собой возвратными пружинами. Пружины обеспечивают перемещение якоря до ограничителя хода. Шток, установленный в полости статора и с одной стороны жестко соединенный с якорем, а с другой - с жестким центром, на котором закреплена мембрана. Мембрана связана с корпусом проточной части насоса, содержащим рабочую камеру с впускным и выпускным клапанами, соединенными между собой каналом. Изобретение отличается тем, что для исключения отклонения соосности статора, якоря и штока, он дополнительно снабжен гибкой подвеской, закрепленной одним концом на оси подвижного якоря, а другим концом - на опоре, жестко смонтированной на неподвижном статоре, при этом между штоком и стенками полости статора образован воздушный зазор. Патент RU 2456477 представляет интерес, т.к. описывает конструкцию многофазных роторно-лопастных насосов для перекачки рабочей среды. Насос содержит ротор, корпус, распределительно-компенсационные камеры, корпус-отстойник, всасывающий и напорный патрубки. Насос имеет линию всасывания для жидкости, расположенную в средней части полости корпуса-отстойника. Патент RU 2485663 представляет интерес, т.к. описывает конструкцию насоса для перекачки электропроводных жидкостей, в частности, для обеспечения циркуляции жидкометаллических теплоносителей и раскрывает идею использования жидкометаллических теплоносителей. Насос содержит трансформатор, в котором в качестве короткозамкнутой вторичной обмотки используется замкнутый контур перекачиваемой среды, охватывающий магнитопровод трансформатора и имеющий участки входа и выхода среды. По периметру контура расположены электромагниты переменного тока, создающие магнитное поле, направленное перпендикулярно токам в контуре. Патент RU 2526373 представляет интерес, т.к. описывает конструкцию цилиндрического линейного кондукционного насоса, который содержит обечайку и внутренний цилиндрический сердечник, образующие кольцевой канал. Плоская изоляционная пластина размещена в кольцевом канале и герметично прикреплена к цилиндрическому сердечнику из намагниченного в осевом направлении высококоэрцитивного постоянного магнита по его образующей и к обечайке из ферромагнитного материала. Цилиндрический сердечник и внутренняя поверхность обечайки имеют химически инертную термостойкую изолирующую оболочку. На концах плоской пластины в зонах полюсов цилиндрического сердечника с противоположных сторон попарно установлены плоские электроды, первая пара которых подключена к соответствующим выходам первого регулируемого источника постоянного напряжения, а вторая - к соответствующим выходам второго регулируемого источника постоянного напряжения. Входы первого и второго источников соединены с соответствующими выходами задающего блока. Патент RU 2534334 изобретение решает задачу создания высокооборотных шнекоцентробежных насосов с высокими экономическими и антикавитационными показателями для перекачки криогенных жидкостей. В шнекоцентробежном насосе на переднем бурте центробежного колеса последовательно установлены два плавающих кольца щелевых уплотнений, между плавающими кольцами в корпусе насоса установлена распорная фигурная втулка, имеющая внутреннюю и наружную полости, соединенные отверстиями. Полость соединена с коллектором, а полость коллектора - отверстиями с полостью входа насоса. Патент RU 2536736 представляет интерес, т.к. описывает конструкцию насоса, выполненного многоступенчатым и содержит корпус с зонами всасывания и нагнетания. Каждая ступень снабжена ведущей шестерней и двумя ведомыми шестернями и ограничена верхней и нижней торцевыми крышками, установленными с зазором относительно торцевых поверхностей шестерен. Верхняя крышка предыдущей ступени служит нижней крышкой для последующей ступени. Между вершинами зубьев шестерен и боковой поверхностью цилиндрической расточки корпуса образован зазор, превышающий размер абразивных частиц. Соседние ступени размещены относительно друг друга с угловым смещением, обеспечивающим совмещение зоны нагнетания предыдущей ступени и зоны всасывания последующей ступени с помощью цилиндрического канала в крышке. Патент RU 2557905 представляет интерес, т.к. описывает конструкцию насоса, содержащего эластичный цилиндрический корпус, ограниченный с торцов жесткими перегородками и герметично с ними соединенный, впускное и выпускное отверстия, выполненные с возможностью перекрытия. Жесткий цилиндрический пустотелый пенал на торцах герметично закрыт заглушками. Внутри жесткого цилиндрического пустотелого пенала размещен электронный блок управления, снабженный переключаемыми источниками питания. Патент RU 95761 представляет интерес, т.к. описывает конструкцию насоса, который содержит вращающийся корпус. В корпусе закреплена плавающая шпонка, передающая вращение ротору, в теле которого имеется паз, расположенный соосно с осью вращения, куда входит шпонка, причем оси вращения ротора и корпуса расположены эксцентрично относительно друг друга. Также в теле ротора имеются два канала для движения жидкости, причем по одному каналу жидкость поступает в рабочую камеру, которая образована наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса, а по-другому выходит из него, причем входной и выходной каналы, расположенные в роторе, разделены плавающей шпонкой. Патент RU 124932 представляет интерес, т.к. описывает конструкцию одноступенчатого горизонтального самовсасывающего центробежного насоса. Насос выполнен с осевым подводом жидкости, отличающийся тем, что задний подшипник выполнен со стальным сепаратором открытого типа и закреплен в корпусе подшипника стопорным кольцом. Патент RU 2557051 основан на способе вытеснения жидкости из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного движения рабочих органов - вытеснителей и которые могут быть использованы для смазки подшипниковых узлов. Насос трения для перекачки масел содержит ротор с винтовой поверхностью, расположенный в корпусе с входными и выходными каналами для подвода и отвода масла. Внешняя поверхность ротора выполнена в виде винтового или прямого паза, образующего поверхность со спиралевидным профилем сечения. Канал подвода масла проходит через ротор и выполнен в виде осевого и радиального отверстий. Патент RU 2463485 представляет интерес, т.к. раскрывает способ сборки проточной части насоса с приводом насоса. Патент RU 2490517 представляет интерес, т.к. описывает конструкцию устройства для очистки жидкости от абразивных включений, интегрированной в насос. Патент RU 2511934 представляет интерес т.к. содержит блок задания параметра регулирования, выход которого соединен с первым входом блока сравнения. Выход блока сравнения соединен с блоком расчета требуемой скорости. Выход блоком расчета требуемой скорости соединен с блоком регулирования частоты и напряжения. Выходы блока регулирования частоты и напряжения соединены с входами частотного преобразователя. Выход частотного преобразователя соединен с входом асинхронного электродвигателя. Выход асинхронного электродвигателя соединен с входом центробежного насоса. Первый выход центробежного насоса соединен с входом датчика регулируемого параметра, а второй выход - со входом датчика расхода. Выход датчика расхода соединен со вторым входом блока расчета регулируемого параметра. Выход датчика регулируемого параметра соединен с первым входом блока расчета регулируемого параметра. Выход блока расчета регулируемого параметра соединен со вторым входом блока сравнения. Патент RU 2526029, т.к. раскрывает способ управления цилиндрическим линейным индукционным насосом, заключающийся в регулировании амплитуды и частоты напряжения питания, отличающийся тем, что устанавливают период регулирования подачи электропроводной жидкости потребителю, измеряют Э.Д.С., наводимую в электропроводной жидкости бегущим электромагнитным полем в перпендикулярном относительно оси цилиндрического линейного индукционного насоса направлении, вычисляют расход электропроводной жидкости и стабилизируют расход электропроводной жидкости посредством коррекции амплитуды и/или частоты напряжения питания, а подачу электропроводной жидкости потребителю осуществляют с постоянным расходом в каждом периоде в форме импульса, длительностью меньшей или равной периоду регулирования подачи электропроводной жидкости. Патент RU 2566755 представляет интерес т.к. раскрывает способ создания охлаждающей жидкости с силоксановым фрагментом в составе катиона. Патент RU 2456480 представляет интерес, т.к. изобретение направлено на снижение энергозатрат в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации, когда наблюдается отклонение плотности транспортируемой смеси от расчетной. Статья «Уравнение конфигурации жидкостного кольцевого кольца для жидкольцевых вакуум-насосов» авторов Ю.В. Родионов, Д.В. Никитин, А.В. Волков представляет интерес, т.к. характеризирует течение жидкости в насосе новой конструкции. Автореферат диссертации Бастрыкиной Н.С. представляет интерес т.к. раскрывает конструкцию электрокинетического сорбционно-мембранного насоса. В основу работы данного насоса положен метод электроосмотического (электрокинетического) перекачивания жидкостей в пористых структурах с использованием сорбционно-мембранных систем, выполняющих роль ионполимерных электродов. Такие системы позволяют исключить процессы электролиза перекачиваемой жидкости, в том числе, эффекты газообразования, влияющие на эффективность перекачивания. Статья Micropumps – past, progress and future prospects, Sens. P. Woias, Actuators B. интересна т.к. раскрывает конструкцию насоса использующие фазовые превращения. Насосы, использующие фазовые превращения представляют собой систему нагревателей, расположенных вдоль канала с рабочей жидкостью.
Анализ выявленных охраняемых технических решений указывает на тенденции в развитии различных элементов предлагаемой к разработке гибридной системы локальной термостабилизации. Так, для отвода или подвода необходимого количества теплоты современное развитие теплообменных устройств направлено на более эффективную интенсификацию процессов тепломассообмена, все большей проблемой становится отвод тепловой энергии с малой площади нагрева. Использование эффективных поверхностей теплообмена наряду с материалами и теплоносителями, обладающими улучшенными теплофизическими свойствами позволят решить техническую задачу на сегодняшнем уровне развития полупроводниковой промышленности. Выявленные мировые тенденции в развитии теплоносителей указывают на малое количество разработок в данной области.
Повысить эффективность термоэлектриков можно за счет введения различных добавок твердых частиц, в том числе и наноразмерных. Изобретение RU2528338относится к нанострук-турному термоэлектрическому материалу состава ВixSb2-xТе3, где х имеет значения от 0,4 до 0,5, и дисперсный наполнитель, выполненный из ультрадисперсного алмаза со средним размером ча-стиц от 3 до 5 нм. Концентрация частиц ультрадисперсного алмаза составляет от 0,2 до 15 % от объема тройного твердого раствора. Изобретение позволяет повысить термоэлектрическую доб-ротность выше 1,0 и механическую прочность более 100 МПа наноструктурного термоэлектриче-ского материала. Аналогами являются патенты US 8957299 со средний диаметр частиц примерно от 10 нм до 30 нм и US 20110036385 термоэлектрического композит, состоящий из термоэлектри-ческого материала (матрицы), множества керамических наночастиц, и биполярного диспергатора, обволакивающего керамические наночастицы.
RU 2561659 Термоэлектрический материал получен путем применения этапа окисления полупроводниковой подложки с образованием полупроводниковой оксидной пленки на полу-проводниковой подложке; образования первого наноотверстия в полупроводниковой оксидной пленке, и эпитаксиального роста для наложения множества полупроводниковых наноточек, вы-полненных из полупроводникового материала, на первое наноотверстие. Технический результат: повышение коэффициента термоэлектрического преобразования
В области разработок систем охлаждения наблюдается следующие тенденции: интегриро-ванный жидкостно-воздушный теплопроводный (теплообменный) модуль (US 8157001) включает в себя первый слой, имеющий контактную площадку для соединения с источником тепла, отли-чающийся тем, что первый слой имеет каналы для протекания жидкого хладагента, прилегающие к области контакта. В сочетании с первым, второй слой имеет тепловой контакт с воздушным ра-диатором. Насос установлен в магистрали охлаждающей жидкости, образующие замкнутый кон-тур для циркуляции текучей среды через первый слой. В каналах первого слоя для протекания жидкости, содержится множество ребер, которые управляют потоком жидкости. Течение жидко-сти путь, структура, обеспечивающая двойной встречный поток, дополнительно данный тракт может включать пластины микроканальной структуры. Система может включать в себя програм-мируемый контроллер для включения/выкдючения насос и вентилятора и датчик температуры. Также имеется патент US 8464781, в котором система охлаждения объединяющая теплообменни-ки и термоэлектрические слои. Компактная система охлаждения источника тепла включает жид-костный теплообменник, насос, ТЭМ и режектор тепла установленный так, чтобы быть в тепло-вом контакте по меньшей мере с частью термоэлектрического устройства. Насос выполнен вместе с теплообменником. Наибольшее внимание уделено эффективности теплообмена, рассмотрены различных формы оребрения: массивы прямоугольной, шестигранной призм, обтекаемые, каналы сложной формы.
Основными тенденциями в области изменений конструкции и технологии изготовления ТЭМ является повышение надежности и снижение контактных сопротивлений. Термоэлектриче-ский модуль преобразования, из ветвей (p-тип) и (n-тип) US 20120160293, которые являются ме-таллургически соедениными друг с другом через пористый металлический слой, из никеля или серебра и имеющей коэффициент плотности от 50 до 90%. Такой способ позволяет добиться хо-рошей адгезии и снижает термические напряжения.
US 20110023930 предложен способ изготовления термоэлектрического модуля, в котором ветви приварены к электропроводному контактному материалу, причем n- и р- ветви термопары свариваются на отдельных стадиях. Такой термоэлектрический модуля является очень надежным и может также быть использовано в вибрационных средах без разрушения сварных соединений.
RU 2013139233 Термоэлектрический модуль, по меньшей мере имеющий холодную сторо-ну и горячую сторону, а также расположенные между ними термоэлектрические элементы, при-чем между термоэлектрическими элементами и по меньшей мере холодной стороной или горячей стороной расположен сжимаемый теплопроводный слой
На данный момент мировой рынок термоэлектрических модулей является консолидиро-ванным, с несколькими крупными мировыми компаниями, занимающими доминирующее поло-жение на рынке: Ferrotec Corporation, Tellurex Corporation, Laird Technologies, Inc., RMT Ltd., Mar-low Industries, TE Technology, Inc., KELK Ltd., Thermion Company, EVERREDtronics Ltd., Micropelt GmbH, Green TEG AG, Hi-Z Technology, Inc., ООО "Криотерм" и Ferrotec "Норд".
Важной стратегией ключевых игроков на мировом рынке ТЭМ является разработка новых продуктов в целях удовлетворения различных требований заказчиков.
Например, Ferrotec Corporation предлагает более 1700 различных типов ТЭМ для различ-ных приложений. ООО "Криотерм" (Россия) производит более 250 типов стандартных термоэлек-трических модулей. Laird Technologies, Inc. предлагает широкие инжиниринговые услуги на международном рынке: начиная от тепловое моделирование, создание макета, быстрое прототи-пирование, и конструкция для индивидуальных решений термоэлектричества.
В 2014 году на долю однокаскадных термоэлектрических модулей, приходилось около 85% общего рынка термоэлектрических модулей, однако предполагается, что с 2015 по 2022 год доля многокаскадных ТЭМ увеличится в среднем на 11.5% в год. Наиболее существенным фактором является растущий спрос на эти модули в низкотемпературных применениях, где требуются сред-ние или малые мощности охлаждения.
В плане типа термоэлектрических модулей, рынок сегментирован на объемные, микро- и тонкопленочные ТЭМ. В 2014 году, сегмента объемных термоэлектрических модулей занимала самую большую около 71% общего рынка термоэлектрических модулей.
Ключевые применения объемных ТЭМ являются телекоммуникации, медицинские, аэро-космические и промышленные применения. Объемные ТЭМ, являются наиболее распространен-ным типом, тем не менее, сегмент микро- ТЭМ будет расти в период с 2015 по 2022 год. Ключе-выми областями применения тонкопленочных ТЭМ являются бытовая электроника, медицинский и лабораторные, автомобильные детекторы и датчики, а также устройства генерации электриче-ской энергии.
Развитие мембранных насосов, а также усовершенствования центробежных и шнекоцентробежных насосов позволяет говорить о решении задач создания высокооборотных насосов с высокими экономическими и антикавитационными показателями способных перекачивать от криогенных до многофазных жидкостей.
Выявленные технические решения в системах управления, автоматики и регулирования основываются на автоматическом управлении и регулировании агрегата в зависимости от параметров перекачиваемой или рабочей среды.
В результате проведенного анализа тенденций и прогноза развития можно сделать следующие выводы:
- в области разработки технических решений, направленных на охлаждение интегральных микросхем, размеры которых с каждым годом становятся все меньше, а тепловой поток с их поверхности, наоборот, все больше, – ведутся обширные исследования, выявлены патенты, технические решения которых могут быть полезны при разработке гибридной системы локальной термостабилизации.
- в области разработки насосов, систем управления и автоматики ведутся исследования, выявлен ряд патентоспособных технических решений для более детального изучения. Однако в результате проведенного анализа тенденций и прогноза развития в области теплоносителей указывают на то, что разработки в данной области практически не ведутся.
Прогноз развития исследуемой области техники представляется в сочетании нескольких ключевых технических решений в рамках одной системы, так как применение только одного из них, на сегодняшний день, уже недостаточно. Такими решениями могут выступать, например, применение в единой системе эффективных компактных теплообменников с развитыми поверхностями теплообмена и малым гидравлическим сопротивлением наряду с термоэлектрическими преобразователями и теплоносителями с заданными теплофизическими свойствами.
Заключение
Проведенные патентные исследования позволяют сделать следующие выводы:
- наиболее развитые страны мира активно занимаются развитием систем охлаждения, включая такую отрасль, как охлаждение электронных модулей;
- в России в настоящее время имеется существенный задел по всем основным научно-техническим, конструкторским, технологическим и материаловедческим аспектам тепловой защиты для создания компактных систем охлаждения или подогрева радиоэлектронных компонентов;
- существует потребительская необходимость в компактной системе локальной термостабилизации, осуществляющая в зависимости от условий окружающей среды охлаждение или нагрев теплонапряженных элементов электронных модулей.
Анализ наиболее близких к разрабатываемой системе технических решений показывает, что многие из них представлены на уровне идеи и не подтверждены какими-либо данными. Как следствие, передача прав на использование какой-либо организации с целью производства или серийного выпуска, – отсутствует. Множество развивающихся организаций малого и среднего предпринимательства, поддерживаемого правительством РФ, требует практической реализации того или иного технического решения в виде хотя бы минимум одного работающего образца. Поэтому в последние годы для реализации патентов необходимо иметь законченные и проработанные технические решения, в том числе касаемые способов охлаждения (нагрева) и конструкции, обоснованные глубокой теоретической проработкой и, как следствие, подтвержденные результатами экспериментов и испытаний.
Для повышения термоэлектрической добротности термоэлектриков предлагается введение различных добавок твердых частиц, в том числе и наноразмерных, что способствует снижению теплопроводности материала. Так в наноструктурированном термоэлектрическом материале со-става ВixSb2-xТе3, где х имеет значения от 0,4 до 0,5, и дисперсный наполнитель, выполненный из ультрадисперсного алмаза со средним размером частиц от 3 до 5 нм и концентрации частиц уль-традисперсного алмаза от 0,2 до 15 % от объема тройного твердого раствора удается повысить термоэлектрическую добротность выше 1,0, а механическую прочность более 100 МПа нано-структурного термоэлектрического материала.
Основными тенденциями в области изменений конструкции и технологии изготовления термоэлектрических модулей охлаждения является повышение надежности и снижение контакт-ных сопротивлений. Так, термоэлектрический модуль охлаждения из ветвей (p-тип) и (n-тип), ко-торые являются металлургически соединенными друг с другом через пористый металлический слой из никеля или серебра, и имеющей коэффициент плотности от 50 до 90 %, имеет хорошую адгезию и низкие термические напряжения.
Дальнейшее проведение патентных исследований должно осуществляться в направлении конкретных задач, определении наиболее перспективных направлений, оптимизации решений технических задач, расширении источников информации за счет более полного патентных фондов наиболее развитых стран мира.