Область техники
Изобретение относится к термоэлектрическому устройству для источника энергии, использующего эффект Зеебека, или к термоэлектрическому устройству для охлаждающего устройства (охладителя), использующего эффект Пелетье, а более конкретно к термоэлектрическому устройству, которое мало по размерам, но имеет высокие эксплуатационные характеристики.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В термопаре напряжение генерируется путем обеспечения разности температур между ее концами. Это обусловлено эффектом Зеебека и может быть использовано в устройстве, предназначенном для извлечения этого напряжения в качестве электрической энергии. Такой термоэлектрический источник энергии, в котором тепловая энергия может быть прямо преобразована в электрическую энергию, привлек к себе большое внимание как эффективное средство использования тепловой энергии, что важно в случае использования отработанного тепла.
Между тем ток, протекающий через термопару, приводит к образованию тепла на одном ее конце и поглощению тепла на другом ее конце. Это обусловлено эффектом Пелетье, и путем использования явления поглощения тепла может быть изготовлено охлаждающее устройство (охладитель). Этот тип охладителя, который не содержит механических компонентов и может иметь малые размеры, имеет применение как портативный холодильник или локальное охлаждающее устройство для лазеров, интегральных схем и т.п.
Таким образом, источник энергии или охладитель (термоэлектрическое устройство), изготовленное из термоэлектрического элемента, такого как термопара, является простым по своей конструкции и находится в более благоприятном состоянии для миниатюризации по сравнению с другими типами источников энергии или охлаждающими устройствами, предоставляя высокую полезность. Например, с термоэлектрическим устройством для использования в термоэлектрическом источнике энергии не возникнет проблемы утечки электролита или уменьшения мощности, как в случае окислительно-восстановительного элемента, и термоэлектрическое устройство, следовательно, имеет многообещающие перспективы для применения в портативных, электронных устройствах, таких как электронные наручные часы.
Основная конструкция стандартного термоэлектрического устройства была раскрыта, например, в патенте Японии N 58-64075, в котором термоэлектрические полупроводники двух различных типов проводимости, p-типа и n-типа, размещены попеременно и систематически таким образом, что множество термопар сведено в двумерное расположение, и каждая термопара электрически соединена с другой последовательно через пластины электродов.
В этой конструкции термоэлектрическое устройство образовано в форме пластины термопарами в двумерном расположении. Верхняя поверхность и нижняя поверхность термоэлектрического устройства становятся гранями, на которых расположены соответственно "горячие" спаи и "холодные" спаи термопар. В случае устройства термоэлектрической генерации термоэлектрическая генерация вызывается посредством разницы в температуре между верхней поверхностью и нижней поверхностью устройства.
Поскольку портативные электрические устройства, по отношению к которым ожидается применение таких термоэлектрических устройств, обычно используются при окружающей комнатной температуре, не ожидается получать достаточную разность температур внутри портативного электрического устройства. Например, в случае наручных часов разница температур, полученная в часах между температурой тела и температурой окружающей среды, будет самое большее 2oC.
Однако выходное напряжение термопары, даже с использованием материала на основе BiTe, о котором известно, что он имеет наивысший критерий качества при комнатной температуре окружающей среды, составляет около 400 мкВ/oC на пару, таким образом, что, когда термопары, использующие материал на основе BiTe, заключены в наручные часы, полученное выходное напряжение составляет только 800 мкВ на пару. Следовательно, для получения напряжения выше 1,5 В, которое необходимо для запуска наручных часов, требуется включить не менее чем около 2000 пар термопар.
Кроме того, в случае электронных наручных часов механические компоненты и компоненты электрической цепи, а также термопары необходимо включать в них, несмотря на их малый и ограниченный объем. Соответственно существенным условием является то, что конструкция термоэлектрического устройства должна быть сама по себе настолько малой по размеру, насколько это возможно.
Между тем для электрического соединения между термоэлектрическим устройством и внешними схемами требуется проводное соединение, и, таким образом, как раскрыто в вышеупомянутом патенте Японии N 58-64075, это соединение выполняется соответственно соединяющими проволочными выводами к пластинам электродов, помещенными на обоих концах набора термопар, соединенных последовательно.
Как описано выше, когда термоэлектрическое устройство заключается в наручные часы, требуется, чтобы термоэлектрическое устройство было сконструировано настолько малым по размеру, насколько это возможно, и, кроме того, чтобы можно было получить желаемое напряжение. Однако с уменьшением размера термоэлектрического устройства вынужденно требуется уменьшение размера пластин электродов для выходного напряжения.
В результате, было бы исключительно трудно соединить проволочный вывод с пластиной электрода таким образом, чтобы установить соединение с внешней схемой. Другими словами, было бы трудно выполнить электрическое соединение между термоэлектрическим устройством и внешними схемами, которое необходимо для практического использования, что приводит к трудностям включения термоэлектрических устройств в портативные электрические устройства, ожидающие применения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей данного изобретения является облегчение электрического соединения между внешней схемой и компактным и обладающим высокими эксплуатационными характеристиками термоэлектрическим устройством.
Для расширения вышеупомянутой задачи термоэлектрическое устройство согласно данному изобретению использует следующую конструкцию.
Блок термоэлектрических элементов имеет такую конструкцию, что термоэлектрический полупроводник первого типа проводимости и термоэлектрический полупроводник второго типа проводимости, которые имеют форму столбиков равной длины, регулярно размещены для образования расположенных приблизительно на одном уровне торцевых поверхностей межсоединения на обеих торцевых поверхностях термоэлектрических полупроводников и соединены вместе через изоляционный материал, причем термоэлектрические полупроводники первого и второго типа проводимости электрически соединены последовательно на торцевых поверхностях межсоединения посредством электродов межсоединения.
Пара соединительных электродов, которые электрически соединены с соответственными термоэлектрическими полупроводниками, соответствующими одному и другому концу множества термоэлектрических полупроводников, соединенных последовательно, образована на вышеупомянутом блоке термоэлектрических элементов.
Кроме того, термоэлектрическое устройство содержит пластину теплопроводности, имеющую верхнюю грань, большую, чем внешняя форма блока термоэлектрических элементов, и имеющую изолирующий слой из любого металлического и изолирующего материала, имеющего высокую удельную теплопроводность, по меньшей мере на верхней грани; и пару входной/выходной электродов, образованных на стороне верхней грани пластины теплопроводности и электрически изолированных от пластины теплопроводности.
Одна из торцевых поверхностей межсоединения блока термоэлектрических элементов прикреплена на верхнюю грань пластины теплопроводности для установления электрического соединения каждого соединительного электрода с каждым входным/выходным электродом через проводящий элемент.
Следует отметить, что пара соединительных электродов предпочтительно образована на других гранях (боковых гранях), чем торцевые поверхности межсоединения блока термоэлектрических элементов.
В этом случае предпочтительно, чтобы термоэлектрические полупроводники, соответственно соответствующие одному концу и другому концу множества термоэлектрических полупроводников, соединенных последовательно в вышеуказанный блок, были предусмотрены (экспонированы) на гранях, отличных от торцевых поверхностей межсоединения, на которых образована пара соединительных электродов для электрического соединения с соответствующими гранями термоэлектрических полупроводников.
Термоэлектрическое устройство может быть сконструировано таким образом, чтобы изоляционная подложка, такая как гибкая печатная схема (ГПС), которая имеет пару входной/выходной электродов и отверстие, соответствующее наружной форме блока термоэлектрических элементов, была обеспечена на верхней грани пластины теплопроводности таким образом, чтобы одна из торцевых поверхностей межсоединения блока была прикреплена на пластину теплопроводности через отверстие изоляционной подложки для установления электрических соединений пары соединительных электродов с парой входной/выходной электродов на изоляционной подложке.
Альтернативно термоэлектрическое устройство данного изобретения может быть сконструировано таким образом, что пара электродов образована на одной из торцевых поверхностей межсоединения блока термоэлектрических элементов; пластина теплопроводности выполнена двухуровневой формы, имеющей верхнюю часть и нижнюю часть, окружающую верхнюю часть; изоляционная подложка, такая как ГПС, которая имеет отверстие для вставки в нее верхней части и пару входной/выходной электродов на ее верхней грани, образованных на верхней грани пластины теплопроводности; и вышеупомянутая торцевая поверхность межсоединения блока термоэлектрических устройств прикреплена на верхней грани верхней части пластины теплопроводности противоположно паре соединительных электродов к паре входной/выходной электродов на этой изоляционной подложке в тесной близости, и противоположные электроды электрически соединены проводящим элементом.
В вышеупомянутых термоэлектрических устройствах желательно, чтобы верхняя пластина теплопроводности была прикреплена на торцевую поверхность межсоединения блока для ее изоляции от торцевой поверхности межсоединения. Предпочтительно верхняя пластина теплопроводности имеет гибкость в направлении ее толщины.
Альтернативно термоэлектрическое устройство по данному изобретению может быть сконструировано таким образом, что пластина теплопроводности образована так, чтобы обеспечить размещение множества блоков термоэлектрических элементов на пластину теплопроводности с возможностью прикрепления соответствующих торцевых поверхностей межсоединения к верхней грани пластины теплопроводности.
В этом случае один и другой электрод входного/выходного электродов, которые электрически соединены с противоположными соединительными электродами смежных блоков термоэлектрических элементов, соответственно могут быть взаимно соединены на пластине теплопроводности, чтобы тем самым соединить множество блоков последовательно. Пластина теплопроводности может быть образована в форме кольца.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - перспективный покомпонентный вид, показывающий первый вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению, а фиг. 2 - вид в разрезе вертикальной грани, взятый по линии А-А фиг. 1;
Фиг. 3 - вид в разрезе, подобный фиг. 2, показывающий второй вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению;
Фиг. 4 - вид в разрезе, подобный фиг. 2, показывающий третий вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению, а фиг. 5 - перспективный вид его блока термоэлектрических элементов;
Фиг. 6 - вид в разрезе, подобный фиг. 2, показывающий четвертый вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению;
Фиг. 7 - вид сверху, показывающий пятый вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению; и
Фиг. 8 - вид сверху, показывающим шестой вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению.
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предпочтительные варианты согласно данному изобретению будут подробно описаны ниже со ссылкой на приложенные чертежи.
Первый вариант: фиг. 1 и 2
Первый вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению будет теперь пояснен со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 2.
Термоэлектрическое устройство 20, показанное на фиг. 1, имеет такие основные компоненты, как нижняя пластина 1 теплопроводности, гибкая печатная схема 2, блок 3 термоэлектрических элементов и верхняя пластина 4 теплопроводности, в которой эти компоненты собраны в виде одного блока в расположении, показанном на фиг. 1.
Нижняя пластина 1 теплопроводности и верхняя пластина 4 теплопроводности каждая является прямоугольной пластиной, имеющей высокую удельную теплопроводность в направлении толщины. Как материал обеих пластин использован металл, такой как медь или алюминий, что обусловлено его высокой удельной теплопроводностью. Когда термоэлектрическое устройство 20 установлено и приложено к некоторому устройству, термический градиент между конструкцией этого устройства и блоком 3 уменьшается настолько низко, насколько это возможно, чтобы улучшить работу термоэлектрического устройства 20. Верхняя грань 1a нижней пластины 1 теплопроводности является большей по размеру, чем внешняя форма блока 3.
Поскольку нижняя пластина 1 теплопроводности и верхняя пластина 4 теплопроводности соответственно прикреплены к нижней торцевой поверхности межсоединения и верхней торцевой поверхности межсоединения блока 3 термоэлектрических элементов, необходимо избегать возникновения короткого замыкания между множеством электродов 7 межсоединения, образованных на торцевых поверхностях межсоединения, описанных ниже, блока 3 в вышеупомянутом процессе прикрепления. Следовательно, изоляционные слои соответственно образуются на верхней грани 1a нижней пластины 1 теплопроводности и нижней грани 4a верхней пластины 4 теплопроводности, на которой закреплен блок 3. Если пластины 1 и 4 теплопроводности сделаны из алюминия, то производят обработку "Arumaito" (Alumilite) таким образом, чтобы образовать изолятор из оксида алюминия на каждой их поверхности в качестве изоляционного слоя.
Альтернативно изоляционное покрытие может быть образовано на поверхности металлической пластины или изоляционный слой может быть образован на ней путем прикладывания изоляционного листа.
Когда нижняя пластина 1 теплопроводности и верхняя пластина 4 теплопроводности прикреплены к блоку 3 термоэлектрических элементов клеящим материалом, как описано ниже, клеящий слой может использоваться в качестве изоляционного слоя. Однако толщину клеящего слоя нелегко отрегулировать, так что есть риск непредсказуемого короткого замыкания. Следовательно, изоляционный слой предпочтительно образуется, по меньшей мере, на верхней грани 1a нижней пластины 1 теплопроводности и, по меньшей мере, на нижней грани 4a верхней пластины 4 теплопроводности.
Еще один вариант состоит в том, что в качестве каждой из пластин 1 и 4 теплопроводности может использоваться изолятор, имеющий высокую удельную теплопроводность (например, керамическая плита, сделанная из оксида алюминия и т. п. ). В этом случае вся пластина является изоляционным слоем, поэтому короткого замыкания не происходит.
Гибкой печатной схемой (далее называемой ГПС) 2 может быть лист общего назначения, включающий в себя несущую пленку, сделанную из полиамида, полиэтилентерефталата и т.п. Эта ГПС 2 образуется путем отсечки штампом таким образом, чтобы иметь внешнюю форму, приблизительно соответствующую форме нижней пластины 1 теплопроводности, и отверстие 2a, имеющее форму, соответствующую внешней форме блока 3 термоэлектрических элементов. На фиг. 1 пара выступов 2b и 2с образованы на правой стороне ГПС 2.
Обеспечение отверстия 2a является ключевым для ГПС 2. Отверстие 2a имеет подходящий размер для приема внешней периферии блока 3. Как показано на фиг. 2, отверстие 2a выполнено таким образом, чтобы не разместить несущую пленку ГПС 2 между блоком 3 термоэлектрических элементов и нижней пластиной 1 теплопроводности. На верхних гранях выступов 2b и 2c пара входной/выходной электродов 10a и 10b соответственно образованы путем нанесения медной фольги, которая накладывается на несущую пленку.
При рассмотрении образования блока 3 множество термоэлектрических полупроводников 8 первого типа проводимости в форме столбиков p-типа и множество термоэлектрических полупроводников 9 второго типа проводимости в форме столбиков n-типа попеременно и регулярно располагаются для образования торцевых поверхностей 3a и 3b межсоединения, имеющих приблизительно расположенные на одном уровне грани на обеих торцевых поверхностях полупроводников, и затем, как показано на фиг. 2, они соединяются вместе через изоляцию 22 (например, эпоксидную смолу).
Этот блок 3 изготавливается, например, способом, раскрытым в патенте Японии N 63-70463. Следует отметить, что в данном варианте агломерированный материал SiTeSb используется в качестве термоэлектрического полупроводника 8 p-типа и агломерированный материал BiTeSe используется в качестве термоэлектрического полупроводника 9 n-типа.
Верхняя грань и нижняя грань блока 3 термоэлектрических элементов соответственно образуют торцевые поверхности 3a и 3b межсоединения, на которых образовано множество электродов 7 межсоединения, чтобы тем самым осуществить попеременные соединения между термоэлектрическими полупроводниками 8 p-типа и термоэлектрическими полупроводниками 9 n-типа последовательно, как показано на фиг. 2.
Как показано на фиг. 1, пара соединяющих электродов 6a и 6b образована на нижней части боковой грани 3c, отличной от концевых граней 3a и 3b межсоединения блока 3 термоэлектрических элементов. Эти электроды 6a и 6b электрически соединены с соответствующими термоэлектрическими полупроводниками 8e и 9e, соответствующими одному и другому концу множества термоэлектрических полупроводников 8 и 9, соединенных последовательно, которые составляют блок 3 термоэлектрических элементов.
Электроды 6a и 6b и множество электродов 7 межсоединения могут быть образованы способом напыления с использованием металлического экранирования, альтернативно могут также быть образованы как слоистая пленка общей толщиной приблизительно в 1,5 мкм с использованием никеля (Ni) или золота (Au). Следует отметить, что электроды 6a и 6b каждый сформирован непрерывно расширяющимся между боковой гранью 3c и нижней торцевой поверхностью 3b межсоединения, и соответственно они соединены с нижними концами термоэлектрических полупроводников 8e и 9e, расположенных на обоих концах вышеупомянутого соединения последовательно.
Блок 3, например, может включать в себя термопары, составленные из около 1100 пар, состоящих из термоэлектрических полупроводников 8 p-типа и термоэлектрических полупроводников 9 n-типа с размерами 8 мм в ширину, 5 мм в глубину и 2 мм в высоту с внешней формой, показанной на фиг. 1. В блоке 3 термоэлектрических элементов, когда разность температур в 1,5oC была непосредственно подана на торцевые поверхности 3a и 3b межсоединения, без использования пластин 1 и 4 теплопроводности было получено напряжение разомкнутой цепи в 0,65 В.
После того как блок 3 вставлен в отверстие 2a ГПС 2, нижняя торцевая поверхность 3b межсоединения сцепляется с верхней гранью 1a нижней пластины 1 теплопроводности адгезивами, тогда как верхняя торцевая поверхность 3a межсоединения сцепляется с нижней гранью 4а верхней пластины 4 теплопроводности, которая имеет такой же размер, что и размер торцевой поверхности 3a межсоединения, подобными адгезивами.
В этот момент, поскольку толстый слой адгезива вызывает уменьшение термического контакта, требуется, чтобы слой адгезива был настолько тонок, насколько это возможно (около нескольких мкм). Например, в качестве таких адгезивов используется термоустанавливающая эпоксидная смола.
Что касается ГПС 2, выступы 2b и 2c, снабженные входным/выходным электродами 10a и 10b соответственно, выдаются для обеспечения гибкости, тогда как ГПС 2 комбинированно прикреплена к верхней грани 1a нижней пластины 1 теплопроводности вязким веществом или адгезивами.
ГПС 2 не лежит слоем между блоком 3 и нижней пластиной 1 теплопроводности вследствие обеспечения отверстия 2a. Следовательно, термический градиент под влиянием несущей пленки ГПС 2, которая имеет низкую удельную теплопроводность, отсутствует. Это воздействует на тесный тепловой контакт верхней грани 1a нижней пластины 1 теплопроводности с торцевой поверхностью 3b межсоединения таким образом, чтобы поддерживать малую разницу температур, приводящую к поддержанию эффективной работы термоэлектрического устройства 20.
И затем, как показано на фиг. 2, пара входной/выходной электродов 10a и 10b на ГПС 2 соответственно электрически соединена с парой соединительных электродов 6a и 6b блока 3 термоэлектрических элементов, проводящими элементами 21, такими как серебряная паста, что завершает термоэлектрическое устройство 20.
Поскольку проводящий элемент 21 для электрического соединения находится между входным/выходным электродами 10a и 10b и соединительными электродами 6a и 6b, вместо серебряной пасты может использоваться припой или в особом случае может применяться проводное соединение.
Когда разница температур в 1,5oC между нижней пластиной 1 теплопроводности и верхней пластиной 4 теплопроводности подавалась к укомплектованному термоэлектрическому устройству 20, получали напряжение разомкнутой цепи 0,61 В. Таким образом, почти не наблюдалось уменьшения выходного напряжения по сравнению с выходным напряжением вышеупомянутого эксперимента для индивидуального блока 3 термоэлектрических элементов.
В термоэлектрическом устройстве 20, описанном до сих пор, пара соединительных электродов 6a и 6b соответственно соединены с термоэлектрическими полупроводниками 8e и 9e, расположенными на одном конце и другом конце множества термоэлектрических полупроводников, соединенных последовательно, что образует блок 3, тогда как соединительные электроды 6a и 6b соответственно соединены с парой входной/выходной электродов 10a и 10b. В результате выступы 2b и 2c, образованные на ГПС 2 и обладающие упругостью, вставлены в гнездо, обладающее пружинящими свойствами, в результате чего легко достигается соединение с внешней схемой таким образом, чтобы подавать выходное напряжение блока 3 термоэлектрических устройств к внешней схеме.
Следует отметить, что соотносительные конфигурации нижней пластины 1 теплопроводности, верхней пластины 4 теплопроводности и блока 3 термоэлектрических элементов, которые описаны выше, имеют такую конструкцию, которая зависит от устройства, обеспечивающего в себе термоэлектрическое устройство, следовательно, этот вариант является лишь примером. В этом варианте плата для образования входного/выходного электродов 10a, 10b является гибким листом, но также может использоваться печатная плата, не имеющая гибкости, или простая изоляционная подложка.
Второй вариант: фиг. 3.
Второй вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению будет теперь описан со ссылкой на фиг. 3. В данном случае фиг. 3 является видом в разрезе термоэлектрического устройства, подобного устройству на фиг. 2, этого варианта, в котором те же ссылочные позиции используются для обозначения компонентов, соответствующих компонентам фиг. 1 и 2.
В термоэлектрическом устройстве 20 данного варианта, форма нижней пластины 1 теплопроводности, положение образования соединительного электрода 6 в блоке 3 термоэлектрических устройств и форма отверстия 2a ГПС 2 отличаются от этих элементов в первом варианте, так что ниже будет дано описание с акцентом на вышеупомянутые различные пункты, а подробное описание общих с первым вариантом пунктов опущено.
Нижняя пластина 1 теплопроводности, показанная на фиг. 3, не имеет форму пластины с плоской верхней поверхностью, а имеет двухуровневую форму, которая составлена из верхней части 1b, имеющей ширину короче, чем ширина (длина в горизонтальном направлении на фиг. 3) блока 3 термоэлектрических элементов и нижней части 1a, окружающей часть 1c.
ГПС 2 имеет отверстие 2a, которое имеет форму, совпадающую с формой части 1b нижней пластины 1 теплопроводности. На верхней части ГПС 2 пара входной/выходной электродов 10a и 10b соответственно образованы таким образом, чтобы простираться наружу из окрестностей правой и левой сторон отверстия 2a на фиг. 3.
В блоке 3 пара соединительных электродов 6a и 6b соответственно образована в окрестностях правого и левого краев (на фиг. 3) торцевой поверхности 3b межсоединения на нижней боковой грани блока 3.
Термоэлектрическое устройство 20 в данном варианте изготавливается и комплектуется посредством следующих стадий.
Во-первых, часть 1b нижней пластины 1 теплопроводности вставляется в отверстие 2a, после чего ГПС 2 прикрепляется к части 1c клеящим веществом или подобным ему.
Во-вторых, торцевая поверхность 3b межсоединения блока 3 термоэлектрических элементов прикладывается на верхнюю поверхность части 1b нижней пластины 1 теплопроводности посредством обеспечения клеящего слоя 31 из изоляционного адгезива, что закрепляет блок 3 термоэлектрических элементов. В этом состоянии пара соединительных электродов 6a и 6b, которые обеспечены на торцевой поверхности 3b блока 3 термоэлектрических элементов, и пара входной/выходной электродов 10a и 10b, обеспеченная на ГПС 2, близко расположены параллельно друг другу. И затем проводящий элемент 21, такой как проводящая паста или припой, используют для электрического соединения противоположных электродов 6a и 10a и также для электрического соединения противоположных электродов 6b и 10b. Это завершает сборку термоэлектрического устройства 20.
В этом термоэлектрическом устройстве 20, поскольку соединительные электроды 6a и 6b и входной/выходной электроды 10a и 10b противоположно расположены с небольшими пустотами между ними, стабильность соединения посредством проводящего элемента 21 улучшена. Кроме того, соединительные электроды 6a и 6b могут быть образованы совместно с электродами 7 межсоединения на торцевой поверхности 3b межсоединения блока 3 термоэлектрических элементов, таким образом, соединяющие электроды 6 и электроды 7 межсоединения могут быть легко изготовлены.
Следует отметить, что верхняя пластина теплопроводности опущена в данном варианте, но она может быть обеспечена, если это необходимо. При условии, что клеящий слой 31, имеющий стабильную толщину, образован на верхней поверхности высокоуровневой части 1b нижней пластины 1 теплопроводности, изоляционные свойства электродов 7 межсоединения, образованных на торцевой поверхности 3b межсоединения, могут быть обеспечены благодаря функции клеящего слоя 31 как изоляционного слоя, что приводит к возможности использования металлической пластины, не имеющей изоляционного покрытия, как нижняя пластина 1 теплопроводности.
Третий вариант: фиг. 4 и 5
Третий вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению будет теперь описан со ссылкой на фиг. 4 и фиг. 5.
Фиг. 4 является видом в разрезе, подобным фиг. 2, термоэлектрического устройства, а фиг. 5 является видом, показывающим только его блок 3 термоэлектрических элементов, в котором те же ссылочные позиции используются для обозначения компонентов, соответствующих компонентам фиг. 1-3.
Термоэлектрическое устройство 20 в данном варианте имеет следующие отличительные особенности от особенностей первого варианта: входной/выходной электроды 10a и 10b непосредственно образованы на верхней грани нижней пластины 1 теплопроводности без использования ГПС 2; соединительные электроды 6a и 6b образуются в различных позициях в блоке 1; и верхняя пластина 4 теплопроводности опущена. Далее следует описание с акцентом на вышеупомянутые отличительные особенности, а подробное описание особенностей, общих с первым вариантом, опущено.
Как показано на фиг. 5, в блоке 3 в этом варианте использованы термоэлектрический полупроводник 8e p-типа и термоэлектрический полупроводник 9e n-типа, при этом концы множества термоэлектрических полупроводников 8 и 9 p-типа и n-типа соединены последовательно на обеих противоположных боковых гранях 3c и 3d. В нижних частях боковых граней 3c и 3d пара соединяющих электродов 6a и 6b образована для соединения с выставленными гранями термоэлектрических полупроводников 8e и 9e соответственно.
Торцевая поверхность 3b межсоединения вышеупомянутого блока 3 прикладывается к верхней грани 1a нижней пластины 1 теплопроводности через клеящий слой 31 из проводящего адгезива. Кроме того, соединительные электроды 6a и 6b электрически соединены с соответствующими входным/выходным электродами 10a и 10b посредством проводящего элемента 21, такого как проводящая паста или припой.
Согласно вышеупомянутой конструкции количество использованных компонентов уменьшено из-за отсутствия ГПС 2, что упрощает процессы сборки. Следует отметить, что в данном варианте керамическая пластина как изоляция, сделанная из чистого оксида алюминия, используется в качестве нижней пластины 1 теплопроводности, и сложенная тонкая пленка из Cr и Cu образована на верхней ее грани посредством распыления, а затем входной/выходной электроды 10a и 10b образованы через нанесение узора путем травления.
В блоке 3 термоэлектрические полупроводники 8 и 9 расположены рядами вдоль боковых граней 3c и 3d, причем полупроводники 8e и 9e на обоих концах соединены последовательно, выставлены и просто функционируют для межсоединения.
Четвертый вариант: фиг. 6
Четвертый вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению будет теперь описан со ссылкой на фиг. 6.
Фиг. 6 является видом в разрезе, подобным фиг. 2, термоэлектрического устройства, в котором те же ссылочные позиции используются для обозначения компонентов, соответствующих компонентам фиг. 1-5.
Термоэлектрическое устройство 20 в данном варианте имеет следующие отличительные особенности от термоэлектрического устройства 20 первого варианта: эластичная пластина 14 теплопроводности используется в качестве верхней пластины теплопроводности; и блок 3 термоэлектрических элементов, сконструированный как выставленный боковой гранью тип, подобный его типу в третьем варианте; и блок 3 термоэлектрических элементов имеет пару соединительных электродов 6a и 6b на правой и левой боковых гранях, и пара входной/выходной электродов 10a и 10b ГПС 2, которые электрически соединены с соответствующими электродами 6a и 6b, образована отдельно на правой и левой сторонах отверстия 2a. Другие особенности являются общими с первым вариантом, так что подробное описание опущено.
Эластичная пластина 14 теплопроводности имеет два медных листа 14a и 14b, причем каждый имеет толщину приблизительно 0,15 мм, со сделанным из меди тонким гофрированным листом 14c между ними, причем все они соединены воедино путем сварки, так что пластина 14 имеет эластичность в направлении ее толщины.
Поскольку эта эластичная пластина 14 теплопроводности прикреплена к блоку 3 адгезивами, имеющими изоляционные свойства, изоляционные свойства электродов межсоединения на торцевой поверхности 3a межсоединения обеспечены клеящим слоем 31. Однако эта пластина предпочтительно имеет электрически изоляционный слой, по меньшей мере, на боковой поверхности, которая непосредственно соединена с блоком 3, в то время как требуется не терять удельную теплопроводность в направлении толщины пластины. Следовательно, на нижней грани нижнего медного листа 14b предпочтительно обеспечен изоляционный слой путем образования пленки из оксида алюминия посредством покрытия распылителем.
Когда термоэлектрическое устройство 20 заключено в портативные электронные устройства и т.п., важно установить тесный теплоконтакт термоэлектрического устройства с портативным электронным устройством или подобным ему. Следовательно, в данном варианте эластичная пластина 14 теплопроводности используется для получения эластичности в направлении толщины термоэлектрического устройства 20, таким образом, эластичная пластина 14 теплопроводности поглощает пространственные ошибки обработки и т.п. конструкции портативного электронного устройства вследствие ее эластичности, и, кроме того, может быть достигнут тесный теплоконтакт эластичной пластиной 14 теплопроводности.
Пятый вариант: фиг. 7
Пятый вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению будет далее описан со ссылкой на вид сверху фиг. 7.
Каждое термоэлектрическое устройство 20 вышеупомянутых вариантов сконструировано для прикрепления единственного блока 3 к нижней пластине 1 теплопроводности. Однако данное изобретение включает в себя термоэлектрическое устройство, имеющее конструкцию, в которой на одной и той же нижней пластине теплопроводности обеспечено множество блоков 3 термоэлектрических элементов.
Фиг. 7 показывает пример случая, в котором множество блоков 3 расположено отдельно, в котором такие же ссылочные позиции используются для обозначения компонентов, соответствующих компонентам в рисунках, на которые делаются ссылки в вышеупомянутых вариантах.
Пластина 11 теплопроводности в данном варианте образована в удлиненной форме, как представлено пунктирной линией на фиг. 7, таким образом, что множество (три на рисунке) блоков 3 термоэлектрических элементов выровнено с промежуточными интервалами.
Гибкая печатная схема (ГПС) 25, имеющая множество отверстий 25a, прикреплена на пластине 11 теплопроводности. На верхней поверхности ГПС 25 и между смежными отверстиями 25a образованы структуры 50, 50 межсоединения, каждая из которых также служит в качестве входного/выходного электрода, электрически соединенного с различными электродами каждой пары соединительных электродов 6a и 6b смежных блоков 3 термоэлектрических элементов. На обоих концах ГПС 25 в продольном направлении обеспечены выступы 25b и 25c. Кроме того, на верхних гранях выступов 25b и 25c, оконечные электроды 51a и 51b соответственно образованы таким образом, чтобы быть электрически соединенными с одним из соединяющих электродов 6a и 6b блоков 3 термоэлектрических элементов, которые соответственно расположены на концах выровненных блоков 3.
В каждом блоке 3 данного варианта пара соединительных электродов 6a и 6b отдельно обеспечена на обеих сторонах в направлении выравнивания блоков соответственно.
Между тем множество блоков 3 прикреплено через изоляционный слой к верхней грани пластины 11 теплопроводности после того, как торцевые поверхности межсоединения, образованные на нижней грани блоков 3, соответственно пропущены через отверстия 25a ГПС 25.
После этого соединяющий электрод 6a одного блока 3 и соединяющий электрод 6b смежного блока 3 термоэлектрических элементов соединяются с одной и той же структурой 50 проводящим элементом (не показан), таким как проводящая паста, припой и т.п. Соединяющий электрод 6a блока 3, который помещен на конце выровненных блоков, соединен с оконечным электродом 51a проводящим элементом, тогда как другой соединительный электрод 6b блока 3, который помещен на другом конце выровненных блоков, соединен с оконечным электродом 51b проводящим элементом.
Как описывалось до сих пор, множество блоков 3 термоэлектрических элементов соединены последовательно, так что может быть получено высокое выходное напряжение. Кроме того, множество блоков 3 отдельно выровнены на пластине 11 теплопроводности, что повышает гибкость конструкции термоэлектрического устройства 20 и, кроме того, дает преимущество в промышленном выпуске каждого блока 3.
Следует отметить, что блок 3 в данном варианте описан подобным четвертому варианту, но он может быть сконструирован подобно блокам других вариантов, описанных ранее.
Кроме того, с отсутствием ГПС структура 50 межсоединения и оконечные электроды 51a и 51b могут быть непосредственно образованы на пластине 11 теплопроводности, имеющей изоляционный слой, по меньшей мере, на ее верхней грани. В этом случае можно образовать структуру 50 межсоединения и оконечные электроды 51a и 51b одновременно путем нанесения покрытия напылением и т.п.
Шестой вариант: фиг. 8
Наконец, шестой вариант термоэлектрического устройства согласно данному изобретению будет описан ниже со ссылкой на вид сверху на фиг. 8. На фиг. 8 те же самые ссылочные позиции используются для обозначения компонентов, соответствующих компонентам на фиг. 7.
Данный вариант иллюстрирует термоэлектрическое устройство 20, имеющее отдельное расположение множества блоков 3, подобное расположению вышеупомянутого пятого варианта. Отличительные особенности варианта от пятого варианта состоят в том, что пластина 11 теплопроводности образована в форме кольца; и в том, что без использования ГПС структура 50 межсоединения и оконечные электроды 51a и 51b образованы непосредственно на верхней грани кольцеобразной платы 11 теплопроводности, которая имеет изоляционный слой, по меньшей мере, на ее верхней грани.
Следовательно, блоки 3 в целом расположены по кругу вдоль нижней пластины 11 теплопроводности. Другие особенности являются общими с особенностями в пятом варианте, так что подробное описание опущено.
Что касается вышеупомянутой кольцеобразной конструкции термоэлектрического устройства 20, например, когда термоэлектрическое устройство используется в качестве генератора в наручных часах, то оно может быть легко помещено в промежуток между управляющим механизмом часов и корпусом часов, покрывающим управляющий механизм, в котором движение (управляющий механизм) и/или электрические схемы наручных часов могут быть помещены в круговой промежуток 60 внутри термоэлектрического устройства 20. Следовательно, термоэлектрическое устройство 20 может быть высокоэффективным термоэлектрическим устройством в качестве генератора в наручных часах.
Следует отметить, что пример того, что все термоэлектрические блоки 3 соединены последовательно, описан как в данном варианте, так и в пятом варианте, но в зависимости от использования, часть или все из термоэлектрических блоков 3 могут быть соединены параллельно. В этом случае положение соединяющих электродов 6a и 6b и/или расположение структур 50 межсоединения может варьироваться с учетом формы соединения.
В шестом варианте конфигурация может быть упрощена благодаря отсутствию ГПС. Однако, как и в случае пятого варианта, может быть использована ГПС 2. В этом случае ГПС имеет форму кольца, подобную форме пластины 11 теплопроводности.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Термоэлектрическое устройство согласно данному изобретению позволяет легко и надежно достичь электрическое соединение между внешней схемой и блоком термоэлектрических устройств, включающим в себя большое число термопар при компактных размерах и высоких эксплуатационных характеристиках.
В результате компактные и обладающие высокими эксплуатационными характеристиками блоки термоэлектрических элементов могут быть легко включены в портативные электронные устройства и т.п.
Например, при использовании термоэлектрического устройства согласно данному изобретению в качестве термоэлектрического устройства для генерирования энергии, так как оно мало по размеру, но позволяет получать высокое выходное напряжение, термоэлектрическое устройство может быть использовано в качестве генератора разности температур, который является источником питания в портативном электронном устройстве, таком как наручные часы.
Использование: в термоэлектрических преобразователях энергии. Сущность изобретения: множество термоэлектрических полупроводников n- и р-типа регулярно расположены таким образом, что обе их торцевые грани образуют расположенные приблизительно на одном уровне торцевые поверхности межсоединения и соединены вместе через изоляцию .Электроды межсоединения для попеременного электрического соединения термоэлектрических полупроводников n- и р-типа образованы на обеих торцевых поверхностях межсоединения. Пара соединительных электродов образована для электрического соединения с термоэлектрическими полупроводниками, соответствующими одному концу и другому концу множества термоэлектрических полупроводников. Одна из торцевых поверхностей межсоединения блока термоэлектрических элементов вставлена в отверстие гибкой печатной схемы и затем прикреплена к верхней грани пластины теплопроводности через изоляционный слой. Пара соединительных электродов электрически соединена с парой входной/выходной электродов, образованной на гибкой печатной схеме. Технический результат: облегчение электрического соединения между внешней схемой и компактным термоэлектрическим устройством. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
| Способ окисления боковых цепей ароматических углеводородов и их производных в кислоты и альдегиды | 1921 |
|
SU58A1 |
| Анатычук Л.И | |||
| Термоэлементы и термоэлектрические устройства | |||
| Справочник | |||
| - Киев: Наукова Думка, 1979, с.420-436 | |||
| ГДР | 0 |
|
SU409456A1 |
| Топка с несколькими решетками для твердого топлива | 1918 |
|
SU8A1 |
