КАСКАДНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАДИТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01L35/28 

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам для охлаждения, в частности к каскадным охладителям, работающим при низких (50^oC150 К) температурах, и может быть применено в радиоэлектронике, космической технике и других областях.

Известны каскадные термоэлектрические охладители, содержащие полупроводниковые ветви II- и p-типа проводимости, соединенные по схеме с параллельным (разветвленным) электропитанием каскадов [1] что позволяет подводить ток только к самым "горячим" спаям и не требует электроизоляционных теплопереходов, вносящих тепловое сопротивление между каскадами.

Однако при низких температурах (ниже 150К) термоэлектрическая эффективность таких охладителей низка, так как для этой температурной области в настоящее время отсутствуют высокоэффективные ветви p-типа. (Ветви II-типа - BiSb).

Для повышения эффективности охладителя вместо полупроводниковых ветвей p-типа устанавливают сверхпроводящие ветви, которые, хотя и не обладают термоэлектрическими свойствами, но и не выделяют джоулева тепла [2]
Возможно применение и несверхпроводящих пассивных ветвей термоэлементов.

Простая замена в известном каскадном охладителе с n-ветвями из BiSb полупроводниковых ветвей p-типа на сверхпроводящие ветви не реализует всех возможностей такой замены. Возникают потери перепада температуры из-за взаимного расположения пассивных (сверхпроводящих) и активных (полупроводниковых) ветвей термоэлемента, когда активная (выделяющая тепло Пельтье) ветвь первого (более холодного) каскада расположена на пассивной (не поглощающей тепло) ветви второго каскада и т.д. Перекосы температуры в контактных пластинах усугубляют также основной недостаток рассматриваемой схемы трудность реализации режима максимальной экономичности из-за равенства падений напряжений на термоэлементах всех каскадов.

Указанные недостатки в основном устранены в известном каскадном термоэлектрическом охладителе [3]
В этом охладителе (прототип) активные (полупроводниковые) ветви расположены одна над другой, образуя в элементарной N-каскадной ячейке одну N-каскадную активную ветвь. Между активными ветвями (каскадами) установлены электроизоляционные пластины и металлические пластины.

Расположение пассивных (сверхпроводящих) ветвей таково, что возможно как независимое позволяющее реализовать экономичный режим, так и параллельное (при объединении однополярных выводов) электропитание. (В последнем случае падения напряжений в каскадах одинаковы).

Указанный каскадный охладитель обладает рядом недостатков.

В элементарной 2-каскадной ячейке на две активных ветви приходится три пассивных ветви. Это усложняет конструкцию и снижает термоэлектрическую эффективность (перепад температуры при заданной тепловой нагрузке или холодопроизводительность при заданном перепаде температуры) из-за теплопритоков по дополнительной пассивной ветви. (Токовое сечение сверхпроводящей ветви, изготавливаемых, как правило, из керамики, не может быть бесконечно малым, т. к. определяется требованиями прочности и критической плотности тока.)
При наращивании каскадов на каждую последующую активную ветвь требуется две пассивных ветви, одна из которых (дополнительная) непосредственно связана с источником питания, т.е. с окружающей средой (самыми "горячими" спаями охладителя).

В общем случае на N активных ветвей требуется (2N 1) пассивных ветвей, из которых N-1 дополнительных (от источника питания к соответствующей активной ветви).

Соотношение термоэлементов в каскадах 1 1, что усложняет согласование каскадов и снижает напряжение питания элементарной ячейки и охладителя в целом.

При параллельном питании каскадов (однополярные выводы объединены) невозможно отказаться от электроизоляционных теплопереходов, снижающих общий перепад температуры (термоэлектрическую эффективность) в отличие от классического каскадного охладителя с параллельным (разветвленным) электропитание каскадов (см. аналог).

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и повышение термоэлектрической эффективности за счет снижения теплотпритоков, а также улучшение условий согласования каскадов, повышение напряжения питания.

Для достижения этой цели в элементарную N-каскадную ячейку введены кроме основной N-каскадной активной ветви еще и от одно-до (N 1)-каскадной активных ветвей, электрически соединенных с пассивными ветвями по схеме с разветвлением токов по каскадам, при этом число пассивных ветвей равно числу активных, и объемные пассивные ветви расположены наклонно к активным.

Снижение числа пассивных ветвей в расчете на одну активную ветвь и их постепенное охлаждение за счет дополнительных активных ветвей сводят к минимуму приток тепла к теплопоглощающим спаям активных ветвей по пассивным ветвям, что повышает термоэлектрическую эффективность охладителя.

Уменьшение притока тепла по пассивным ветвям происходит и за счет того, что наклонно расположенные пассивные ветви имеют большую, чем у активных ветвей токовую длину.

Дополнительные активные ветви повышают напряжение питания элементарной N-каскадной ячейки и охладителя в целом.

Несмотря на разветвленное (параллельное) питание, падения напряжений в каскадах основной H-каскадной ветви в общем случае разные и могут быть легко оптимизированы.

Таким образом, улучшаются условия согласования каскадов в H-каскадной ветви.

На фиг. 1 и 2 схематически изображены двух-и трехкаскадные элементарные ячейки охладителя; на фиг. 3 электрическая схема соединения ветвей термоэлементов.

Охладитель содержит активные полупроводниковые ветви 1, например, из BiSb n-типа проводимости и пассивные сверхпроводящие ветви 2, например, из керамики Y, Ba₂ Cu₃O₇ с температурой перехода во сверхпроводящее состояние T_с 92^oC95К или таллиевой керамики с T_с 120К, соединенные между собой с помощью высокоэлектропроводного металла 3 (медь, припой и т.п.) с образованием спаев.

Активные ветви термоэлементов, установленные одна на другую, образуют каскадные активные ветви.

Элементарная двухкаскадная ячейка охладителя содержит двух-и однокаскадную активную ветвь, а трехкаскадная элементарная ячейка трех-, двух- и однокаскадную активную ветвь.

Активные ветви в каждой каскадной активной ветви могут быть одного токового сечения и разной токовой высоты (фиг. 1), разного токового сечения и одинаковой токовой высоты (фиг. 2) или разных и токового сечения и токовой высоты.

Токовое сечение активных ветвей примерно на порядок больше минимально возможного токового сечения пассивных ветвей.

Пассивные ветви, число которых равно числу активных, могут быть объединены в общие пластины (фиг. 1).

Охладитель работает следующим образом.

При температуре окружающей среды, равной температуре перехода пассивных ветвей со сверхпроводящее состояние, охладитель готов к работе.

Постоянный электрический ток, распределяемый в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 3, вызывает эффект Пельтье.

Далее рассмотрим работу на примере трехкаскадного охладителя (фиг. 2) и в первую очередь основной трехкаскадной активной ветви.

Тепло Q_o, выделяемое объектом охлаждения, и тепло, поступающее за счет теплопроводности по пассивной ветви 1 каскада, поглощаются на рабочем спае активной ветви 1 каскада.

На противоположном спае активной ветви 1 каскада это тепло плюс тепло, соответствующее потребляемой активной ветвью 1 каскада мощности, выделяется. Сюда же поступает тепло по пассивной ветви II каскада.

Активные ветви II и III каскадов работают аналогичным образом, только тепло с тепловыделяющего спая активной ветви III каскада отводится в окружающую среду.

После выхода на режим на спаях устанавливаются температуры T₀<T₁<T₂<T.

Двухкаскадная и однокаскадная активные ветви трехкаскадного охладителя охлаждают пассивные ветви, уменьшая теплопритоки на спаи основной трехкаскадной ветви, что повышает термоэлектрическую эффективность. Этому способствует и то обстоятельство, что пассивные ветви из сверхпроводящей керамики (объемные ветви), расположенные наклонно, имеют несколько большую, чем у активных ветвей, длину.

Предлагаемое устройство способствует решению проблемы охлаждения радиоэлектронных элементов в области температур ниже 150К, в которой традиционные термоэлектрические охладители на основе халькогенидов висмута и сурьмы, выпускаемые промышленностью, малоэффективны. Его технико-экономические преимущества перед прототипом определяются уменьшением потерь термоэлектрической эффективности при использовании пассивных сверхпроводящих ветвей за счет снижения теплопритоков по ним.

Использование: в области термоэлектрических устройств для охлаждения, в каскадных охладителях, работающих при низких (50 - 150 К) температурах, в радиоэлектронике, космической технике и других областях. Сущность изобретения: с целью повышения термоэлектрической эффективности в элементарную N-каскадную ячейку введены (N - 1) каскадные ветви того же типа проводимости с числом каскадов от одного до (N - 1), электрически соединенных с объемными пассивными сверхпроводящими ветвями по схеме с разветвлением токов по каскадам. Число пассивных ветвей равно числу активных и они расположены наклонно к активным. 3 ил.

Каскадный термоэлектрический охладитель, содержащий активные полупроводниковые ветви одного типа проводимости, установленные одна на другой и образующие в элементарной N-каскадной ячейке одну активную N-каскадную ветвь, и объемные пассивные сверхпроводящие ветви, электрически соединенные с активными полупроводниковыми ветвями, отличающийся тем, что в элементарную N-каскадную ячейку введены (N 1)-каскадные ветви того же типа проводимости, с числом каскадов от одного до (N 1), электрически соединенные с объемными пассивными сверхпроводящими ветвями по схеме параллельного питания каскадов, причем объемные пассивные сверхпроводящие ветви расположены наклонно к активным и их число равно числу активных.