ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2007 года по МПК H01L35/32 H01L23/38 

Изобретение относится к области технической физики и предназначено, в частности, для использования в электронике и в оптических системах детектирования и отображения информации.

Известны термоэлектрические устройства, основанные на эффекте Пельтье (патенты США №№3006979, 4859250, 3409475 и др.). Они выполнены из пары или множества пар электродов в виде столбиков материалов с разными коэффициентами Пельтье, которые смонтированы и скоммутированы так, чтобы соединения, по которым ток течет от электродов первого материала к электродам из второго, находились в одной плоскости, а соединения, по которым ток течет от вторых к первым, находились в другой плоскости, параллельной первой. Эти соединения находятся в тепловом контакте с поверхностью пластин, вторая поверхность которых является поверхностью теплообмена. При прохождении тока через эти устройства в области одной из плоскостей тепло поглощается, а в области другой выделяется. Подобные батареи элементов могут быть многокаскадными (патенты США №№5040381, 4833889, 5385022).

Недостатком этих устройств является громоздкость, ограничивающая или исключающая возможности их применения, неравномерность теплообмена по поверхности и трудоемкость изготовления.

Известен также тепловой прибор, состоящий из последовательно соединенных и находящихся в одной плоскости чередующихся полосок плоских электродов из материалов с разными коэффициентами Пельтье. Стыки пар, охлаждающиеся при прохождении тока, сгруппированы в терморегулируемой области, а стыки противоположного типа сгруппированы в области теплоотвода. Электроды выполнены из фольги меди и фольги константана (патент США №3607445).

Недостатком его является неравномерность теплоотвода из-за малой площади поверхности теплообмена, которая ограничивается областью стыка электродов, а также низкая технологичность изготовления. Кроме того, большая площадь непрозрачных электродов ограничивает использование устройства в оптических приборах.

Прототипом предлагаемого изобретения является термоэлемент в виде тонкопленочной термопары, нанесенной непосредственно на терморегулируемый элемент микрочипа (JP 11-015539), который отбирает от этого элемента тепло благодаря эффекту Пельтье. Размеры терморегулируемой области при этом сопоставимы с толщиной термоэлемента.

Недостатком прототипа является расположение коммутационных площадок (контактов к пленочным слоям термопары) в терморегулируемой области, что приводит из-за выделения тепла на этих контактах (благодаря тому же эффекту Пельтье) к их нагреву и, следовательно, к возврату отведенного тепла в терморегулируемую область по механизму теплопроводности. При малых размерах объектов, для которых предложен термоэлемент, эффективность механизма теплопроводности особенно велика и сводит работу этого термоэлемента на нет. Непрозрачность электродов ограничивает использование устройства в оптических приборах.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности теплоотвода, создание возможности отвода тепла от отдельных локальных зон терморегулируемого объекта без дополнительного нагрева соседних областей, а также расширение возможностей применения термоэлемента.

Поставленная задача решается тем, что термоэлемент выполнен, в одном из вариантов, в виде двухслойной пленки, слои которой являются электродами и изготовлены из материалов с разными коэффициентами Пельтье. При прохождении тока в направлении от одной пленки к другой будет поглощаться (или выделяться) тепло по всей площади контакта слоев. Оба слоя при этом будут одновременно охлаждаться (или нагреваться), поэтому обе поверхности двухслойной пленки могут использоваться в качестве поверхностей теплообмена с терморегулируемым объектом. Геометрия пленочных слоев такова, что коммутационные площадки слоев (т.е. электрические контакты к слоям) находятся вне терморегулируемой области, чтобы исключить теплообмен между ними и термостабилизируемой областью по механизму теплопроводности. Тепло, поглощенное (или выделенное) в области терморегулирования, выделяется (или поглощается) на коммутационных площадках, а теплообмен между этими площадками и окружающей средой организуется любым известным способом. Расстояние, на которое предлагаемое устройство отводит тепло от терморегулируемой области, равно расстоянию от нее до коммутационных площадок и может быть выполнено сколь угодно большим (ограничение налагаются лишь вторичными причинами).

Расположение коммутационных площадок вне терморегулируемой области приводит к тому, что выделяющееся или поглощающееся на этих контактах при протекании тока тепло передается не терморегулируемому объекту, а окружающей среде. При этом тепло от нагретой зоны переносится не через соседние с этой зоной участки с попутным их нагревом, а в зону, находящуюся вне терморегулируемой области, например, непосредственно к радиатору внешнего теплообмена (то же и для подвода тепла).

Для повышения тепловой эффективности один или оба пленочных электрода выполняются из полупроводникового материала. В этом случае, для оптимизации свойств термоэлемента (например, для увеличения обратного тока образующегося р-n - перехода), смежные поверхности полупроводниковых пленок могут быть модифицированы или разделены пленкой третьего материала (например, для создания омического контакта).

Область термостабилизации предлагаемого устройства равномерно распределена по всей площади контакта слоев. Сама область контакта слоев при этом отделена от терморегулируемой поверхности лишь тонким слоем пленочного электрода, что создает хорошие условия для теплообмена.

Термоэлемент, состоящий из множества описанных выше элементов, коммутированных последовательно, параллельно или иным способом, расширяет возможности применения.

Предлагаемая конструкция термоэлемента позволяет создать большую концентрацию единичных термоэлементов на терморегулируемой поверхности, что существенно для использования термоэлементов в составе различных датчиков и преобразователей (например, переменного тока в постоянный или интенсивности излучения в постоянный ток), а также для уменьшения тока питания батарей Пельтье при сохранении отводимой (подводимой) тепловой мощности.

Батарея, составленная из нескольких слоев (каскадов) таких термоэлементов, еще более увеличивает тепловой эффект. Электрические соединения между отдельными термоэлементами и слоями могут быть различными (последовательными, параллельными и др.) и осуществляются на коммутационных площадках.

В многокаскадном варианте предлагаемое устройство работает не так, как в многокаскадных аналогах, где тепло передается от каскада к каскаду и отводимая мощность равна мощности самого слабого звена: здесь все каскады отводят тепло от терморегулируемого объекта к коммутационным площадкам, не передавая его друг другу, и отводимая мощность суммируется. Кроме того, предлагаемое устройство имеет низкую тепловую инерционность благодаря малой массе электродов.

Для расширения возможностей использования, например, в оптических приборах пленочные электроды в предлагаемом устройстве могут быть выполнены из прозрачных материалов.

Во всех вариантах исполнения предлагаемое устройство может применяться в качестве охладителя, нагревателя, датчика температуры или преобразователя.

На чертежах изображены варианты предлагаемого изобретения.

Цифрами обозначены: 1 - устройство с терморегулируемым элементом; 2 - рабочая область (область терморегулирования); 3 - пленка р-типа; 4 - пленка n-типа; 5 - область коммутационных площадок; знаками «+» и «-» показаны полярности напряжения при охлаждении и нагревании (в скобках) объекта.

Фиг.1 - единичный термоэлемент с электродами из полупроводниковых материалов в разрезе.

Фиг.2 - единичный термоэлемент с электродами из полупроводниковых материалов в плане.

Фиг.3 - вариант с последовательным соединением термоэлементов.

Примером конкретного исполнения предлагаемого изобретения в качестве охладителя может служить единичный термоэлемент, электроды которого выполнены в виде пленок оксида цинка n- и р-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,0001 ом·см на поверхности стекла с терморегулируемой (рабочей) областью квадратной формы 10 см на 10 см с продолжениями каждой из пленок (в один слой) шириной 1 см и длиной 5 см до коммутационных площадок, расположенных на радиаторе. Толщины пленок, нанесенных методом химического транспорта, составляют по 0,01 мм. Такой термоэлемент позволяет отводить от рабочей области 10 Вт тепла.

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии и может быть использовано для терморегуляции и измерения температуры различных объектов. Термоэлемент содержит электроды, выполненные в виде двух или более пленочных слоев из материалов с разными коэффициентами Пельтье. Поверхностью теплообмена с терморегулируемым объектом является наружная поверхность пленочных электродов. Коммутационные площадки слоев находятся вне терморегулируемой области для осуществления теплообмена с окружающей средой. При прохождении тока в направлении от одной пленки к другой будет поглощаться (или выделяться) тепло по всей площади контакта слоев. Термоэлемент может состоять из двух или более электрически последовательно и/или параллельно соединенных термоэлементов. Пленочные электроды могут быть выполнены из прозрачных материалов. Термоэлемент технологичен в изготовлении, имеет малую толщину и малую тепловую инерционность при эффективном теплоотводе. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрический элемент, включающий электроды из материалов с разными коэффициентами Пельтье и имеющий поверхность теплообмена, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде двух или более пленочных слоев из материалов с разными коэффициентами Пельтье, поверхностью теплообмена с терморегулируемым объектом является их наружная поверхность, а коммутационные площадки слоев расположены вне терморегулируемой области для осуществления теплообмена с окружающей средой.2. Термоэлемент по п.1, отличающийся тем, что состоит из двух или более электрически последовательно и/или параллельно соединенных термоэлементов.3. Термоэлемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что пленочные электроды выполнены из прозрачных материалов.