ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2002 года по МПК H01L35/30 

Изобретение относится к термоэлектрическим охлаждающим или нагревающим приборам и предназначено для использования в различных термоэлектрических системах охлаждения и нагревания: в кондиционерах, холодильниках, термостатах, устройствах охлаждения узлов и блоков электронной аппаратуры, а также в термоэлектрических генераторах постоянного тока.

Известны следующие термоэлектрические приборы: термоэлектрический теплообменник (патент США, 5584183, 7 декабря 1996г.) и прибор для охлаждения интегральных схем (патент США, 5040381, 20 августа 1991г.). Эти приборы состоят из стандартных термоэлектрических охлаждающих модулей, включающих ряд полупроводниковых термопар, расположенных между двумя керамическими пластинами, и двух металлических радиаторов, одна сторона которых выполнена в виде плоской поверхности, причем термоэлектрический охлаждающий модуль механически зажат между двумя плоскими поверхностями радиаторов через тонкие слои теплопроводящей смазки.

К недостаткам данных приборов относятся: низкая эффективность работы, обусловленная большим тепловым сопротивлением между керамическими пластинами модулей и радиаторами, и высокая стоимость приборов, связанная с применением дорогостоящих модулей и радиаторов, плоские поверхности которых изготовлены с высокой точностью, использованием дополнительного крепежного материала и теплопроводящей смазки, а также с большой трудоемкостью механической сборки приборов, практически не поддающейся автоматизации.

Известна конструкция термоэлектрического блока, представленного в работе: G.S. Attey, "Enhanced thermoelectric refrigeration system". Proceedings ICT98, Seventeenth International Conference on Thermoelectrics, May 24-28, 1998, Nagoya, Japan, p.p. 519-524. Блок состоит из стандартных термоэлектрических модулей и двух теплообменников, выполненных в виде металлических коробов. Каждый короб содержит ряд прямоугольных отверстий с размерами меньшими, чем размеры модулей. Модули располагаются между двумя коробами напротив отверстий и механически зажимаются через резиновые прокладки, так что керамические пластины модулей непосредственно контактируют с потоками жидкости внутри коробов.

Основным недостатком аналога является его недостаточно высокая тепловая эффективность из-за сравнительно малой площади контакта между керамическими пластинами и жидкостями, то есть из-за отсутствия развитой поверхности у термоэлектрических модулей. Развить поверхность керамических пластин невозможно по конструктивным причинам и из-за сравнительно низкого коэффициента теплопроводности керамики.

Наиболее близким к изобретению является термоэлектрический модуль, используемый в термоэлектрическом охлаждающем приборе для холодильников (патент США, 5409547, 25 апреля 1995г.). Термоэлектрический модуль состоит из полупроводниковых термопар, расположенных между двумя керамическими пластинами, и двух металлических радиаторов, одна сторона которых выполнена в виде плоской поверхности, причем термоэлектрический охлаждающий модуль механически зажат между двумя плоскими поверхностями радиаторов через тонкие слои теплопроводящей смазки.

Недостатками этого модуля являются сравнительно низкая эффективность работы, обусловленная большим тепловым сопротивлением между керамическими пластинами модулей и радиаторами, и низкая надежность, связанная с возникновением больших механических напряжений в полупроводниковых термопарах, вызванных периодическими изменениями разности температуры на противоположных сторонах модуля в процессе его эксплуатации, из-за сильного механического сжатия всех узлов модуля.

Задачей изобретения является улучшение характеристик и увеличение надежности модуля, связанных с эффективным отводом тепла и устранением механических напряжений в месте соединения радиаторов с керамическими пластинами, возникающими при изменении температуры модуля из-за различия линейных коэффициентов термического расширения металла и керамики, а также улучшение характеристик и увеличение надежности блока, связанных с применением ненапряженных (несжатых) модулей.

Сущность изобретения заключается в том, что в термоэлектрическом модуле, состоящем из одной или нескольких полупроводниковых термопар, заключенных между керамическими пластинами с металлизированной наружной поверхностью, и радиаторов, размещенных с наружной стороны керамических пластин, радиаторы содержат выступы и неразъемно соединены выступами с металлизированными поверхностями керамических пластин. Дополнительные отличия заключаются в том, что неразъемное соединение выполнено в виде паяного или сварного соединения; линейные размеры контактной поверхности выступов составляют от 2 до 7 линейных размеров термопар; общая площадь контактной поверхности выступов равна или больше суммарной площади термопар; отношение линейных размеров контактной поверхности выступов к высоте этих выступов меньше или равно 10.

Достигаемый эффект обусловлен тем, что неразъемное крепление (припаивание) радиаторов к металлизированной поверхности керамических пластин обеспечивает высокую эффективность отвода тепла от модуля за счет малого теплового сопротивления между радиатором и керамическими пластинами. Тепловое сопротивление предлагаемого модуля в несколько раз меньше, чем у модуля, взятого за прототип, использующего механическое прижатие радиаторов к керамическим пластинам через тонкий слой теплопроводящей смазки. Использование в радиаторах выступов, которыми они припаиваются к металлизированной поверхности керамических пластин, предотвращает растрескивание керамики и разрушение материала термопар при изменении температуры модулей во время их работы за счет уменьшения механических напряжений, вызванных различными значениями коэффициентов термического расширения металла радиатора и керамики. Упругая деформация выступов компенсирует различное изменение линейных размеров радиаторов и керамики при изменении температуры модуля.

Наилучшие соотношения элементов теплоэлектрического модуля следующие: линейные размеры контактной поверхности выступов составляют от 1 до 7 линейных размеров термопар; общая площадь контактной поверхности выступов равна или больше суммарной площади термопар; расстояние между выступами примерно равно 0,1 линейному размеру кристаллов термопар; отношение линейных размеров контактной поверхности выступов к высоте этих выступов больше или равно 5.

Поскольку термоэлектрические модули в составе блока не зажаты в единую жесткую конструкцию, механические напряжения, возникающие в модулях при изменениях температуры значительно меньше, чем в блоках, взятых за прототип, что приводит к повышению надежности блоков и увеличению ресурса их работы.

Конструкция термоэлектрического модуля поясняется чертежами (фиг.1 и 2).

На фиг.1 (а, б) представлены разрезы термоэлектрических модулей; на фиг. 1 (в) представлен разрез радиатора с указанием линейных размеров выступов, где А - линейный размер выступа, В - расстояние между выступами, Н - высота выступа; на фиг.2 (а, б, в, г, д) представлен общий вид термоэлектрических модулей с радиаторами различной формы: фиг.2а - радиаторы выполнены в виде иголок, фиг. 2б - в форме ребер, фиг.2в - в форме ребер-скобок, фиг.2г - в форме больших разветвленных поверхностей, фиг.2д - в форме блоков с каналами для охлаждающих жидкостей и газов.

Конструкция термоэлектрического блока поясняется чертежами (фиг.3), где: на фиг.3а представлен разрез термоэлектрического модуля; на фиг.3б представлен разрез термоэлектрического блока с двумя коробами воздуховодов или водоводов, потоки теплоносителей направлены в противоположные стороны; на фиг. 3в представлен разрез термоэлектрического блока с тремя коробами воздуховодов или водоводов, модули расположены на противоположных сторонах среднего короба, направление потоков теплоносителей во внешних коробах и в среднем коробе взаимно перпендикулярно.

Термоэлектрический модуль (фиг.1 и фиг.3а) состоит из термопар 1, образованных полупроводниковыми элементами n- и р-типов проводимости, керамических пластин 2 и металлических радиаторов 5. Термопары 1 заключены между двумя керамическими пластинами 2, покрытыми тонким сплошным (фиг.1а) или частичным (фиг. 1б) слоем металла 3, и имеют электрические выводы 4, предназначенные для пропускания постоянного электрического тока через модуль. Металлические радиаторы 5, (форма и размеры которых определяются техническими требованиями к системам, в которых они используются), с выступами 6, припаяны (приварены) к наружным металлизированным сторонам керамических пластин с помощью припоя 7. В блоках радиаторов выполнены каналы для охлаждающей жидкости 8 (фиг.2д). Термопары 1 припаяны припоем 8 к шине 9. Площадь металлической шины 9 равна площади одной термопары.

Термоэлектрический блок (фиг.3б и 3в) состоит из термоэлектрических модулей с радиаторами 5, первого короба воздуховода или водовода 10 со стенкой 11, в которой выполнены посадочные места для термоэлектрических модулей, и второго короба воздуховода или водовода 12. Термоэлектрические модули фиксируются и герметизируются в стенке 11 с помощью эластичного клея или компаунда 13. Стенка 11 может быть выполнена из герметично соединенных между собой термоэлектрических модулей. Эластичные прокладки 14 герметизируют короба 10 и 12 в месте их соединения. Эластичные прокладки 15 обеспечивают механическую прочность радиаторов термоэлектрических модулей. Корпуса теплообменников могут быть изготовлены из металла или теплоизолирующих материалов и пластмасс. Термоэлектрический блок может быть использован как базовый блок для построения более мощных термоэлектрических систем путем механического соединения базовых блоков друг к другу в одном, двух или трех направлениях.

Термоэлектрический модуль в соответствии с эффектом Пельтье работает следующим образом. Два соседних полупроводниковых элемента 1 n- и р-типов проводимости образуют одну термопару. Термопары электрически соединены последовательно, так что холодные стороны термопар припаяны к одной керамической пластине 2, а горячие стороны - к другой. При пропускании электрического тока через модуль по металлическим выводам 4 на металлических шинах 9 с одной стороны модуля происходит поглощение тепла, а с другой - выделение тепла, которое далее через керамические пластины 2, металлизированный слой 3 и слои припоя 7 переносится к радиаторам 5.

Оптимальная конструкция термоэлектрического модуля имеет место при выполнении следующих условий: количество выступов на радиаторах совпадает с количеством термопар (шин 9), выступы располагаются на керамической пластине напротив термопар (шин 9), линейные размеры выступов на 5-20% превышают линейные размеры термопар (шин 9), а отношение линейных размеров вершин выступов к их высоте А/Н (фиг.2в) должно быть меньше или равно 10.

Термоэлектрический блок работает следующим образом. При подключении блока к источнику постоянного тока жидкость или газ, протекающий в одном коробе, охлаждается, а жидкость или газ, протекающий в другом коробе, нагревается.

Таким образом, предложенные конструкции термоэлектрического модуля и термоэлектрического блока обеспечивают значительно более высокие значения их тепловой эффективности и надежности по сравнению с модулем и блоком, взятыми в качестве прототипов.

Важным преимуществом предлагаемых термоэлектрических модулей и блоков по сравнению с приборами-аналогами является существенно меньшая стоимость их изготовления, связанная с применением более дешевых радиаторов и керамических пластин термоэлектрических модулей, поверхности которых изготовлены и обработаны со сравнительно низкой точностью, отсутствием дополнительного крепежного материала, теплопроводящей смазки и операций ручной прецизионной сборки, а также с возможностью совмещения операций сборки и припаивания радиаторов с операциями сборки и припаивания термопар к керамическим пластинам в процессе изготовления модуля.

Изобретение относится к термоэлектрическим приборам и предназначено для использования в различных термоэлектрических системах охлаждения и нагревания: в кондиционерах, холодильниках, термостатах, устройствах охлаждения узлов и блоков электронной аппаратуры, а также в термоэлектрических генераторах постоянного тока. Технический результат: эффективный отвод тепла и устранение механических напряжений в месте соединения радиаторов с керамическими пластинами, возникающих при изменении температуры модуля из-за различия линейных коэффициентов термического расширения металла и керамики. Термоэлектрический модуль состоит из нескольких полупроводниковых термопар. Термопары заключены между керамическими пластинами с металлизированной наружной поверхностью. Радиаторы содержат выступы и неразъемно соединены выступами с металлизированной поверхностью керамической пластины при помощи пайки. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрический модуль, состоящий из одной или нескольких полупроводниковых термопар, заключенных между керамическими пластинами с металлизированной наружной поверхностью, и радиаторов, размещенных с наружной стороны керамических пластин, отличающийся тем, что радиаторы содержат контактные выступы и неразъемно соединены этими выступами с металлизированными поверхностями керамических пластин. 2. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что неразъемное соединение выполнено в виде паяного или сварного соединения. 3. Термоэлектрический модуль по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что линейные размеры контактной поверхности выступов составляют от 1 до 7 линейных размеров термопар. 4. Термоэлектрический модуль по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что общая площадь контактной поверхности выступов равна или больше суммарной площади термопар. 5. Термоэлектрический модуль по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что отношение линейных размеров поверхности контактных выступов к высоте этих выступов меньше или равно 10.