ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛОТЫ И ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ МИКРОСБОРОК Российский патент 1999 года по МПК H05K7/20 H01L23/34 

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для обеспечения требуемых температурных режимов узлов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), рассеивающих значительные мощности.

Работа большинства современных приборов и устройств РЭА существенно зависит от систем обеспечения требуемых температурных режимов их работы, которая, как правило, связана с необходимостью отвода значительных теплот от тепловыделяющих элементов.

Известны устройства с развитой поверхностью теплообмена, отводящие теплоту от тепловыделяющих элементов РЭА под действием естественной разности температур, например элементы РЭА снабжают радиаторами [1]. Для интенсификации теплопередачи применяют радиаторы с различными расположениями ребер [2, 3], снабжают радиатор дополнительными гофрированными вставками, выполняют ребра радиаторов обтекаемыми, со сквозными отверстиями [4] и т. п. Все эти конструктивные признаки применяют для создания турбулентности воздушного потока, обтекающего ребра радиатора, в результате чего увеличивается интенсивность теплопередачи.

Широко используют в электронике решения, согласно которым к охлаждаемому элементу РЭА непосредственно присоединяют с обеспечением теплового контакта термоэлектрическую батарею (ТЭБ). Недостатком этого решения является малая эффективность, т. к. площадь основания охлаждаемого элемента РЭА мала и это не позволяет присоединить к нему значительное количество термоэлектрических элементов, следствием чего и является малая эффективность устройства.

Перечисленные устройства мало эффективны, когда температура эффективной работы элемента РЭА превышает температуру окружающей среды, но сам элемент при работе разогревается гораздо выше. Кроме того, радиаторы в этих случаях имеют значительные габариты, что делает устройство громоздким.

Указанные устройства не позволяют обеспечить и поддерживать требуемый тепловой режим работы РЭА.

Известно также устройство для обеспечения заданного теплового режима элементов РЭА, содержащее теплоизолированный корпус, плату с радиоэлектронными элементами, заключенными в герметичную полость, терморегулятор и теплообменник [5].

Прототипом предлагаемого устройства является устройство для термостабилизации элементов РЭА, представляющее собой корпус с полостью, плату с радиоэлектронными элементами и терморегулятор [6].

С целью модернизации и улучшения параметров прототипа предлагается устройство, конструкция которого показана на фиг. 1. Устройство состоит из ТЭБ 1, на основании 2 которой к "холодным" спаям термоэлектрических модулей с помощью теплопроводной пасты (например, КТП-8) закрепляют термостабилизируемый узел РЭА 3, заключенный в герметичный, пропускающий тепловое излучение корпус 4. На другом основании 5 в тепловом контакте к "горячим" спаям термоэлектрических модулей присоединяют теплообменник 6. Свободный объем вокруг ТЭБ между основаниями 2 и 5 заполняют теплоизолирующим слоем 7. Рядом с термостабилизируемым узлом РЭА на основании 2 укреплен датчик температуры 8, электрически связанный со входом блока управления 9, выход которого в свою очередь электрически связан с термоэлектрическими модулями 1. Фиг. 2 представляет собой схему соединения термоэлектрических модулей 1... 20 в ТЭБ, где все термоэлектрические модули с 1-го по 20-й электрически параллельно соединены в компактные группы, причем компактные группы термоэлектрических модулей соединены последовательно. Такое соединение обеспечивает более надежную работу ТЭБ, даже при выходе из работы всех, кроме одного термоэлектрического модуля в группе.

Устройство работает следующим образом. Если температура основания 2 превышает допустимую величину, то датчик 8 подает сигнал на блок управления 9, который в соответствии с этим сигналом подает необходимой величины ток на термоэлектрические модули 1. В результате термоэлектрические модули 1 охлаждают через основание 2 узел РЭА 3, а избыток тепла от "горячих" спаев термоэлектрических модулей 1 отводят теплообменником 6. При уменьшении температуры основания 2 до допустимой величины, измеряемой датчиком 8, блок управления 9 отключает термоэлектрические модули 1. Выполнение корпуса 4 прозрачным для теплового излучения обеспечивает дополнительную теплоотдачу от элементов РЭА. В целях экономии энергии блок управления 9 отключает термоэлектрические модули 1 в тех случаях, когда рабочий диапазон температур узла РЭА 3 выше температуры окружающей среды, т. к. вектор потока теплоты процесса естественной теплопередачи направлен от узла РЭА 3 к теплообменнику 6.

Зависимости температуры корпуса узла РЭА от рассеивающей мощности при различных режимах теплоотвода прилагаются (фиг. 3). Исследования в динамическом режиме показали, что температура на корпусе узла РЭА при максимальной рассеивающей мощности устанавливается через 20-25 минут на уровне 80^oC, а на теплоотводящем теплообменнике установилась 65^oC.

В тех случаях, когда необходимо отводить теплоту от элементов и узлов РЭА большой мощности, предлагаемое устройство выполняют в виде каскадной ТЭБ. Она представляет собой последовательно включенные в тепловую цепь термоэлектрические модули так, чтобы теплоотводящие спаи первого каскада термоэлектрических модулей присоединялись к теплопоглощающим спаям второго каскада термоэлектрических модулей и т.д. Такое конструктивное выполнение устройства позволяет получить большее снижение температуры, чем при использовании одного каскада. При каскадировании происходит охлаждение верхних термоэлектрических модулей нижними, причем наращивая количество каскадов, можно получить глубокое охлаждение. Количество каскадов ТЭБ рассчитывают в зависимости от величины отводимой мощности, рассеиваемой в окружающую среду.

Литература
1. Дульнев Г.И. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. M., Высшая школа. 1984.

2. А. с. 752863 (СССР) Радиатор. /Федотов А.И.. Рейфе Е.Д., Денисенков А.И. и др./Б.И. N 28, 1980.

3. А. с. 801331 (СССР) Устройство для охлаждения полупроводниковых приборов./Благодатный В.M., Костюк В.А., Ремха Ю.С./Б.И, N 4, 1981.

4. А. с. 721870 (СССР) Радиатор. /Сеферовский В.Н./Б.И. N 10, 1980.

5. А. с. 1832409 (СССР) Радиоэлектронное устройство. Исмаилов Т.А., Цветков Ю.Н. и др./Б.И. N 29, 1993.

6. А. с. 1725424 (СССР) Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для термостабилизации элементов РЭА/ Исмаилов Т.А. и др./ Б.И. N 13. 1992 г.

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано для обеспечения требуемых температурных режимов узлов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), рассеивающих значительные мощности. Техническим результатом на достижение которого направлено изобретение, является повышение эффективности термостабилизации РЭА. Предлагаемое устройство позволяет интенсивно термостабилизировать и эффективно поддерживать заданный тепловой режим работы узлов РЭА за счет оригинальной конструкции термоэлектрической батареи (ТЭБ) и автоматического блока управления и, следовательно, позволяет повысить стабильность характеристик РЭА, а схема соединения термоэлектрических модулей в термоэлектрическую батарею обеспечивает высокую надежность работы устройства. Сущность изобретения состоит в том, что устройство содержит ТЭБ, теплообменник, герметичный корпус для термостабилизируемого узла РЭА, блок автоматического управления с датчиком температуры для установки на термостабилизируемом узле РЭА. Согласно изобретению герметичный корпус выполнен прозрачным для теплового излучения, а ТЭБ выполнена из компактных электрически последовательно соединенных групп термоэлектрических модулей, которые в каждой группе соединены между собой параллельно. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для отвода теплоты и термостабилизации микросборок, содержащее теплообменник, герметичный корпус для термостабилизируемого узла радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), термоэлектрическую батарею, находящуюся в тепловом контакте с термостабилизируемым узлом РЭА и теплообменником, и блок автоматического управления с датчиком температуры для установки на термостабилизируемом узле РЭА, отличающееся тем, что герметичный корпус выполнен прозрачным для теплового излучения, а термоэлектрическая батарея выполнена из компактных электрически последовательно соединенных групп термоэлектрических модулей, которые в каждой группе соединены между собой параллельно. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термоэлектрическая батарея выполнена в виде каскадов, в которых теплоотводящие спаи первого каскада термоэлектрических модулей присоединены к теплопоглощающим спаям второго каскада термоэлектрических модулей и так далее, при этом количество каскадов термоэлектрической батареи зависит от величины отводимой мощности, рассеиваемой в окружающую среду.