Analysis of the Peltier device with epoxy compound for ship automated cooling and thermostabilization systems
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2025-288-2-37-48Keywords:
Peltier device, thermoelectric effect, epoxy compound, semiconductors, ship cooling systems, thermal stabilizationAbstract
In ship automated cooling and thermal stabilization systems, it is important to ensure effective control of thermal regimes in conditions of high humidity and mechanical loads. Because of this, Peltier devices based on thermoelectric modules are used in these ship systems, which are promising due to their compactness, reliability and the absence of moving parts. The efficiency of the said devices depends to a large extent on their design features, choice of materials and thermal characteristics. The study is aimed at analyzing the influence of the modified epoxy compound on the operational properties of Peltier devices, which can ensure their durability and stability of operation in marine conditions.
The analysis of electrical, thermal and mechanical processes in Peltier devices was carried out through a system of differential equations in matrix form. To model and optimize the design, a numerical calculation was performed to determine the distribution of temperature and mechanical parameters in the materials of the device. The effect of epoxy compound on the heat dissipation efficiency and the performance of the device under consideration, including heat transfer, structural integrity, and mechanical stability, is analysed. The effectiveness and feasibility of using Peltier devices in ship cooling systems for electronic equipment, such as radars, navigation devices, communication units and ship control servers, refrigeration units for medical cargo, thermal stabilization of optical systems and autonomous energy complexes were established.
The miniature Peltier device (8×8×3 mm) with 21 thermoelectric pairs was developed. The U-shaped circuit structure was used to evenly distribute thermal loads. The dimensions of each semiconductor were carefully selected to ensure optimal thermal conditions: at a height of 1.5 mm, the volume of each semiconductor is 1 mm³. Heat removal from the hot surface of the Peltier device case was carried out by forced (forced) convection with a heat transfer coefficient h=50 W/(m2·K) and thermal radiation εtr=0.9 to reduce mechanical stresses and increase the service life of the devices in difficult operating conditions. It was found that a modified epoxy compound with a filler improves the operating characteristics of thermoelectric modules in marine conditions. The results obtained can be used to improve the designs of thermoelectric modules and develop new thermal stabilization systems for water transport.
References
1. Анатичук Л. І. Термоелектричні перетворювачі енергії. Термоелементи. Елементна база термоелектрики: монографія. Т. 2 / Л. І. Анатичук; ред. Л. М. Вихор, О. Я. Лусте. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2003. 376 с.
2. Goldsmid H. Julian. Introduction to Thermoelectricity. 2nd ed. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2016. 278 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-49256-7
3. Анатичук Л. І., Вихор Л. М. Вплив електричних та теплових опорів контактів і комутацій на холодильний коефіцієнт термоелектричного модуля. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №3. С. 19-33.
4. Тимощук О. М., Шапран Ю. А. Аналіз методів та засобів нейтралізації вібрації суднового дизель-генератора. Водний транспорт: збірник наукових праць Державного університету інфраструктури та технологій. Київ: ДУІТ, 2025. Вип. 1(42). С. 61-72. DOI: https://doi.org/10.33298/2226-8553.2025.1.42.09
5. Дмитриченко М. Ф., Гутаревич Ю. Ф., Тріфонов Д. М., Сирота О. В. Застосування термоелектричних перетворювачів енергії для зменшення впливу природно-кліматичних факторів на технічну готовність транспортного засобу. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2020. №3. С. 58-69.
6. Лобунець Ю. М. Оцінка характеристик ОТЕС з термоелектричними перетворювачами енергії. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2013. №1. С. 62-67.
7. Анатичук Л. І., Прибила А. В., Кібак А. М. Термоелектричні кондиціонери для сидінь автотранспорту. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2020. №4. С. 90-104.
8. Анатичук Л. І., Прибила А. В. Про ефективність термоелектричних кондиціонерів для транспортних засобів. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2019. №1. С. 86-96.
9. Анатичук Л. І., Лисько В. В., Прибила А. В. Раціональні області використання термоелектричних рекуператорів тепла. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2022. №3-4. С. 44-69.
10. Анатичук Л. І., Кузь Р. В. Про особливості розвитку робіт по створенню термоелектричних рекуператорів для транспортних засобів. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2019. №5. С. 45-67.
11. Кузь Р. В. Теорія та проектування термоелектричних генераторів, що використовують відходи тепла на транспортних засобах. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2020. №2. С. 5-12.
12. Анатичук Л. І., Гаврилюк М. В., Лисько В. В., Руснак О. С., Тінко Е. В. Стендові експериментальні дослідження термоелектричного джерела тепла та електрики для транспортних засобів великої потужності. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №4. С. 41-49.
13. Анатичук Л. І., Лисько В. В. Про можливості використання термоелектричних генераторів для транспортних передпускових нагрівачів великих потужностей. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2019. №3. С. 80-92.
14. Тараненко С. В., Кириченко О. С., Колесник В. В., Костюченко В. І., Пріступа С. В., Пастух О. В., Голубєва С. М. Моделювання стаціонарного теплового поля струмопровідних шин суднових ГРЩ. Водний транспорт: збірник наукових праць Державного університету інфраструктури та технологій. – Київ: ДУІТ, 2021. Вип. 3 (34). С. 13-21.
15. Кириченко О. С. Порівняльний аналіз характеристик термоелектричних модулів з різними геометричними формами напівпровідників для електрообладнання транспорту. Вчені записки Таврійського національного університету імені В. І. Вернадського. Серія: Технічні науки. Київ: ТНУ ім. В. І. Вернадського, 2023. Т. 34(73), № 1. С. 256-263. DOI: https://doi.org/10.32782/2663-5941/2023.1/39
16. Prospective directions of scientific research in engineering and agriculture: collective monograph. / Hladyshev D., Hnat H. – etc. (International Science Group). Boston, USA: Primedia eLaunch, 2023. 464 p. DOI: https://doi.org/10.46299/ISG. 2023. MONO.TECH.1
17. Кириченко О. С. Критерії формування готовності до професійної діяльності інженерів на основі 3D-моделювання. Освітологічний дискурс: наукове електронне видання. Київ: Київ. ун-т ім. Б. Грінченка, 2017. №3-4(18-19). С. 296-308. DOI: https://doi.org/10.28925/2312-5829.2017.3-4.2938
18. Кириченко О. С., Білюк І. С., Шарейко Д. Ю., Фоменко А. М., Гаврилов С. О., Бугрім Л. І. Чисельне тривимірне моделювання термоелектричного охолоджувача вимірювального електроустаткування автоматичних систем. Вчені записки Таврійського національного університету імені В. І. Вернадського. Серія: Технічні науки. Київ: ТНУ ім. В. І. Вернадського, 2018. Т.29(68), Ч.1, №6. С.58-63.
19. Анатичук Л. І., Лисько В. В. Методика визначення термоелектричних параметрів матеріалів у складі термоелектричних модулів охолодження. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №3. С. 73-85.
20. Анатичук Л. І., Гаврилюк М. В., Лисько В. В. Обладнання для визначення параметрів термоелектричних модулів охолодження. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №4. С. 58-68.
21. Лисько В. В., Тудорой П. Ф. Комп’ютерне моделювання процесу екструзії стрічкових термоелектричних матеріалів на основі Bi2-Te3. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України. 2019. №2. С. 61-69.
22. Рибчаков Д.Є. Комп’ютерне моделювання процесу екструзії термоелектричного матеріалу на основі Bi2-Te3, прямокутної форми. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2020. №4. С. 14-22.
23. Рибчаков Д. Є., Сербин М. В. Комп’ютерний метод опису технологій та властивостей термоелектричних матеріалів на основі Bi2-Te3, отриманих методом пресування. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №4. С. 5-12.
24. Рибчаков Д. Є., Сербин М. В. Комп’ютерний метод опису технологій та властивостей термоелектричних матеріалів на основі Bi2-Te3, отриманих методом Бріджмена. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №3. С. 45-52.
25. Gubarevych O., Wierzbicki S., Melnyk O., Kyrychenko O., Riashchenko O. Increasing the accuracy of calculated indicators of operational reliability of industrial electric motors. Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability. Lublin, Poland: Polish Maintenance Society. 2025. Vol. 27, No. 3. DOI: https://doi.org/10.17531/ein/203006
26. Дубинець В. Г., Хільчевський В. В., Савченко О. В. Основи методу скінченних елементів. Чернігів: ЧДТУ, 2007. 288 с.
27. Oyman Serteller N. F. A basic introduction to Finite Element Methods for solving electrical problems. Energy Education Science and Technology Part B: Social and Educational Studies. Trabzon, Turkey: Sila Science, 2011. Vol. 3, No. 4. P. 487-496.
28. Кириченко О. С. Вплив режиму та способу конвекції на робочі характеристики сконструйованого термоелектричного модуля суднового електрообладнання. Водний транспорт: збірник наукових праць Державного університету інфраструктури та технологій. Київ: ДУІТ, 2025. Вип. 2 (43). С. 5-19. DOI: https://doi.org/ 10.33298/2226-8553.2025.2.43.01
29. Тараненко С. В., Кириченко О. С., Пріступа С. В., Голубєва С. М., Пастух О. В. Термоелектричні модулі з компенсованими комутаційними пластинами для пристроїв суднової енергетики. Водний транспорт: збірник наукових праць Державного університету інфраструктури та технологій. Київ: ДУІТ, 2023. Вип. 1(37). С. 201-213. DOI: https://doi.org/10.33298/2226-8553.2023. 1.37.23
30. Кириченко О. С. Термоелектричні модулі з різними способами контактного з’єднання напівпровідникових термоелементів. Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. Київ: СНУ ім. В. Даля, 2023. № 1(277). С. 31–37. DOI: https://doi.org/10.33216/1998-7927-2023-277-1-31-37
31. Горський П. В. Демпфування термомеханічних напружень як засіб підвищення циклічної стійкості термоелектричних перетворювачів енергії. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2023. № 4. С. 17-26.
32. Анатичук Л. І., Балазюк В. М., Лусте О. Я., Малишко В. В. Про підвищення циклічної стійкості термоелектричних модулів охолодження. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2003. № 4. С. 71-75.
33. Тараненко С. В., Кириченко О. С., Пріступа С. В., Голубєва С. М. Демпфування термічних напружень в термоелектричних модулях суднового електрообладнання. Водний транспорт: збірник наукових праць Державного університету інфраструктури та технологій. Київ: ДУІТ, 2024. Вип. 1(39). С. 69-82. DOI: https://doi.org/10.33298/2226-8553.2024.1.39.07
34. Kyrychenko O., Golubieva S., Morneva M. Modeling of thermoelectric modules with thermal stress damping for transport electrical equipment. 2023 IEEE 5th International Conference on Modern Electrical and Energy System (MEES, IEEE Scopus) (Kremenchuk, Ukraine). Piscataway, New Jersey, USA: IEEE, 2023. P. 1-6. DOI: https://doi.org/10.1109/MEES61502.2023. 10402432
