УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ ПРИМОРАЖИВАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H01L35/28 B23Q3/00 

Изобретение относится к термоэлектрической технике, в частности к конструкциям термоэлектрических устройств для крепления деталей методом примораживания при их дальнейшей механической обработке.

Прототипом изобретения является замораживающее устройство, предназначенное для закрепления деталей при их обработке на станках методом примораживания [1]. Устройство включает в себя термоэлектрическую батарею (ТЭБ), приводимую в тепловой контакт холодными спаями с деталью, подлежащей механической обработке, и жидкостной теплообменник, сопряженный с горячими спаями ТЭБ.

ТЭБ выполняется из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем коммутация обеих ветвей (р- и n-типа) к коммутационной пластине производится к одной и той же плоской поверхности по краям последней. При этом термоэлемент имеет П-образную форму, где вертикальные элементы - р- и n-ветви, а горизонтальные - коммутационные пластины. Электрически последовательно соединенные коммутационными пластинами термоэлементы, образующие ТЭБ, заключены между двумя высокотеплопроводными электроизоляционными пластинами - теплопереходами.

Недостатком известной конструкции является невозможность использования мощных ТЭБ с током питания порядка 100 А и выше вследствие возникновения в данной конструкции ТЭБ значительных механических напряжений из-за теплового расширения (сжатия) материалов, а также биметаллического эффекта, снижающих практически до нуля надежность ее функционирования. Это обстоятельство ограничивает применимость известного устройства для примораживания крупных деталей при их механической обработке, а также снижает интенсивность самого процесса обработки из-за ограничений по тепловому потоку.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание термоэлектрической батареи, лишенной указанных недостатков.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности и надежности крепления деталей.

Решение поставленной задачи с достижением технического результата обеспечивается тем, что в устройстве для крепления деталей методом примораживания, включающем в себя термоэлектрическую батарею, состоящую из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, приводимую в тепловой контакт с деталью- объектом примораживания, и систему теплосброса, электрическое соединение ветвей в термоэлектрической батареи осуществляется посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой, причем каждая ветвь в термоэлектрической батарее контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами, при этом коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, причем концы коммутационных пластин, осуществляющих холодные контакты, выполнены с сечением Т-образной формы и выступают за одну поверхность структуры, а концы коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, - за другую, при этом свободные концы коммутационных пластин, осуществляющих холодные контакты, припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину, с противоположной стороны которой устанавливается объект примораживания, свободные же концы коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, сопрягаются с системой теплосброса, пространство же, ограниченное керамической пластиной и поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, заполнено теплоизоляцией, причем слой теплоизоляции нанесен также на оставшуюся поверхность термоэлектрической батареи.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена конструкция устройства.

Устройство содержит ТЭБ 1, приводимую в тепловой контакт с деталью (объектом примораживания) 2, и систему теплосброса 3.

ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин 4 и 5 чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р-типа 6 и n-типа 7. Электрическое соединение ветвей осуществляют посредством контакта ветвь р-типа 6 - коммутационная пластина 4 или 5 - ветвь n-типа 7, где ветвь р-типа 6 контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа 7 - с другой. Каждая ветвь в ТЭБ контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами 4 и 5. Коммутационные пластины 4 и 5 имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа 6 и 7, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ. Концы коммутационных пластин 4, осуществляющих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а концы коммутационных пластин 5, осуществляющих горячие контакты, - за другую.

Свободные концы коммутационных пластин 4 выполнены с сечением Т-образной формы и припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам 8, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину 9, с противоположной стороны которой устанавливается объект примораживания 2. Свободные концы коммутационных пластин 5 сопрягаются с системой теплосброса 3. Пространство, ограниченное керамической пластиной 9 и поверхностью структуры, образованной ветвями ТЭБ, заполнено теплоизоляцией 10, причем слой теплоизоляции нанесен также на оставшуюся поверхность ТЭБ. Подвод электрической энергии к ТЭБ осуществляется через крайние коммутационные пластины.

Устройство работает следующим образом.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии через контактные площадки 11, между коммутационными пластинами 4 и 5, представляющими собой контакты ветвей р- и п-типа 6 и 7, возникает разность температур, обусловленная выделением на одних концах ветвей и поглощением на других концах ветвей теплоты Пельтье. При указанной на чертеже полярности электрического тока происходит нагрев концов ветвей, контактирующих с коммутационными пластинами 5, и охлаждение концов ветвей, контактирующих с коммутационными пластинами 4. Если при этом за счет теплоотвода, осуществляемого системой теплосброса 3, температура коммутационных пластин 5 поддерживается на постоянном уровне, то температура керамической пластины 9, находящейся в тепловом контакте через площадки 8 с коммутационными пластинами 4, понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на керамической пластине 9 будет зависеть от тепловой нагрузки на ней. Тепловая нагрузка складывается из теплопритока из окружающей среды, тепла от горячих коммутационных пластин 5, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля, а также тепла, поступающего от объекта примораживания 2. Теплоизоляция 10 служит для уменьшения теплопритока из окружающей среды.

В заявляемом устройстве для крепления деталей методом примораживания:

1) частично или полностью исключаются механические напряжения, возникающие в ветвях термоэлементов р- и n-типа за счет линейной компенсации теплового расширения одних концов (горячих) ветвей линейным сжатием других концов (холодных), что приводит к повышению надежности ТЭБ;

2) в значительной мере устраняются перетоки тепла с горячих коммутационных пластин на холодные по межтермоэлементным пространствам за счет их более плотной упаковки;

3) коммутационные пластины вследствие специфики исполнения электрических контактов ТЭБ имеют намного меньшую толщину, чем в прототипе, следствием чего является значительное уменьшение их электрических сопротивлений и теплоемкости, что дает возможность достигнуть более низких температур, а также уменьшает длительность выхода ТЭБ на рабочий режим;

4) в ТЭБ могут быть использованы ветви различной длины, что дает возможность более точного согласования таких параметров, как оптимальный ток и перепад температур для каждой пары ветвей р- и n-типа, следствием чего является повышение энергетической эффективности ТЭБ и всего устройства в целом.

Литература

1. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев: Наукова думка, 1979.

Изобретение относится к термоэлектрической технике, в частности к конструкциям термоэлектрических устройств для крепления деталей методом примораживания при их механической обработке. Технический результат: повышение эффективности и надежности крепления. Сущность: устройство содержит термоэлектрическую батарею (ТЭБ), приводимую в тепловой контакт с деталью (объектом примораживания) и систему теплосброса. ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р-типа и n-типа. Электрическое соединение ветвей осуществляют посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой. Каждая ветвь в ТЭБ контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами. Коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа. Концы коммутационных пластин, образующих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а концы коммутационных пластин, образующих горячие контакты, - за другую. Свободные концы коммутационных пластин, образующих холодные контакты, выполнены с сечением Т-образной формы и припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину, с противоположной стороны которой устанавливается объект примораживания. Свободные концы коммутационных пластин, образующих горячие контакты, сопрягаются с системой теплосброса. Пространство, ограниченное керамической пластиной и поверхностью структуры, образованной ветвями ТЭБ, заполнено теплоизоляцией. 1 ил.

Устройство для крепления деталей методом примораживания, включающее в себя термоэлектрическую батарею, состоящую из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, приводимую в тепловой контакт с деталью-объектом примораживания, и систему теплосброса, отличающееся тем, что электрическое соединение ветвей в термоэлектрической батарее осуществляется посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой, причем каждая ветвь в термоэлектрической батарее контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами, при этом коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, причем концы коммутационных пластин, осуществляющих холодные контакты, выполнены с сечением Т-образной формы и выступают за одну поверхность структуры, а концы коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, - за другую, при этом свободные концы коммутационных пластин, осуществляющих холодные контакты, припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину, с противоположной стороны которой устанавливается объект примораживания, свободные же концы коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, сопрягаются с системой теплосброса, пространство же, ограниченное керамической пластиной и поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, заполнено теплоизоляцией, причем слой теплоизоляции нанесен также на оставшуюся поверхность термоэлектрической батареи.