ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F25B21/02 

Изобретение относится к области электронной техники и касается конструкции термоэлектрического модуля, работающего на основе эффекта Пельтье. Предлагаемый модуль может быть использован в электрических холодильных установках, в системах кондиционирования, в холодильных и нагревательных устройствах радиоэлектронной аппаратуры, а также в преобразователях тепловой энергии в электрическую.

Известна термоэлектрическая батарея, содержащая ряд чередующихся полупроводниковых стержней n-типа и р-типа, расположенных продольно на расстоянии между собой, и поперечно размещенные между ними теплообменные элементы из электро- и теплопроводного материала. Каждый теплообменный элемент выполнен петлеобразным и соединен электрически и жестко механически одним своим концом с одним из соседних полупроводниковых стержней и вторым концом с другим из соседних полупроводниковых стержней. Концы каждого петлеобразного теплообменного элемента замкнуты и жестко соединены между собой (см. US 5038569, 1991 г.).

Известен термоэлектрический модуль, состоящий из полупроводниковых ветвей n-типа и р-типа, соединенных металлическими шинами в единую электрическую цепь и размещенных между подложками таким образом, что все горячие спаи соединены с одной подложкой, а все холодные спаи соединены с другой подложкой. Металлические шины соединены с подложками через металлические контактные площадки (см. RU 2075138, 1997 г.). Известные термоэлектрические модули состоят из последовательно соединенных в открытую, не изолированную, цепь термоэлементов. Длительное воздействие влажности на термоэлектрический прибор с неизолированными составными элементами вызывает ряд серьезных проблем. Влага конденсируется из окружающей среды при положительных температурах ниже точки росы. В подавляющем большинстве случаев термоэлектрические модули функционируют при таких температурах, при которых неизбежно образование влаги на элементах конструкции. Помимо негативных последствий, связанных с процессом коррозии, осаждаемая внутри модуля вода создает так называемый термический шунт между горячим и холодным спаями термоэлектрического модуля, что приводит к уменьшению основного параметра - разности температур между спаями. Таким образом, отсутствие изоляции элементов, входящих в состав термоэлектрического прибора, приводит к снижению эффективности его работы. В связи с этим крайне актуальным становится вопрос защиты термоэлектрических модулей.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию конструкции термоэлектрического модуля, защищенного от воздействия внешних факторов.

Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, заключается в увеличении ресурса работы термоэлектрического модуля, повышении его надежности и механической прочности.

Для достижения указанного технического результата предлагается термоэлектрический модуль, который содержит помещенные между двумя теплообменными пластинами горячих и холодных спаев и последовательно соединенные в электрическую цепь параллельные ряды термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника n- и р-типа проводимости. Торцевые поверхности ветвей n- и р-типа термоэлементов соединены с образованием n-р переходов коммутационными шинами, закрепленными на внутренних поверхностях теплообменных пластин горячих и холодных спаев. Все наружные боковые поверхности периферийных ветвей периферийных рядов термоэлементов охвачены единым сплошным замкнутым защитным покрытием из силиконового герметика, наружная поверхность которого расположена заподлицо с боковыми поверхностями теплообменных пластин. В качестве силиконового герметика использован герметик марки ВГО-1.

На боковые поверхности каждой ветви термоэлементов и на открытые внутренние поверхности коммутационных шин и матриц нанесено герметизирующее защитное покрытие в виде пленки эпоксидно-уретанового лака.

Торцы ветвей n- и р-типа соединены с коммутационными шинами через омконтакты.

В качестве материалов ветвей термоэлементов использованы материалы на основе теллурида висмута n-типа и р-типа проводимости. Коммутационные шины выполнены из меди. В качестве эпоксидно-уретанового лака использован лак марки УР-231.

Благодаря нанесению на указанные выше поверхности элементов термоэлектрического модуля указанных защитных покрытий обеспечивается двойная герметизация термоэлектрического модуля, значительно увеличивающая ресурс работы модуля, повышающая надежность его работы и механическую прочность. Силиконовый герметик, охватывающий единым сплошным замкнутым защитным покрытием внешние поверхности периферийных ветвей периферийных рядов термоэлементов термоэлектрического модуля, расположенный заподлицо с боковыми поверхностями теплообменных пластин и выполненный из силиконового герметика обеспечивает термо-, влаго-, электро- и виброизолирующую герметизацию модуля. Силиконовый герметик марки ВГО-1, который преимущественно используется в качестве такого покрытия, в силу своих хороших эластичных свойств обеспечивает наиболее эффективную защиту термоэлектрического модуля, работающего в условиях цикличного изменения температур в широком диапазоне. Нанесение на боковые поверхности каждой из ветвей термоэлементов и внутренние поверхности коммутационных шин и теплообменных пластин покрытия из эпоксидно-уретанового лака, коэффициент теплопроводности которого не превышает коэффициент теплопроводности термоэлектрического материала ветвей термоэлементов, защищает термоэлектрический модуль во всем интервале температур его эксплуатации. В наибольшей степени эффект защиты проявляется при нанесении на указанные поверхности тонкой пленки из эпоксидно-уретанового лака марки УР-231. При отверждении лак УР-231 образует тонкую прочную пленку, которая придает защищаемой поверхности антиадгезионные свойства. В то же время пленка лака обладает высокой адгезией к материалам, используемым в термоэлектрическом модуле. Дополнительно следует отметить, что УР-231 и ВГО-1 обладают высокой вибростойкостью термо- и морозостойкостью, гидрофобностью, сопротивлением действию озона, окислителей и ультрафиолетовых лучей, хорошими диэлектрическими свойствами, а также отсутствием токсичности. Они химически инертны и не вызывают коррозии. Кроме того, они экономичны, удобны и безопасны в применении, долговечны даже при эксплуатации в экстремальных условиях.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен предлагаемый термоэлектрический модуль в аксонометрии; на фиг.2 - фрагмент вида спереди термоэлектрического модуля, на фиг.3 - разрез по А-А фиг.2, на фиг.4 - многокаскадный модуль.

Термоэлектрический модуль содержит расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга параллельные ряды 1 последовательно соединенных в электрическую цепь термоэлементов. Каждый термоэлемент образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника: ветвь 2 n-типа проводимости и ветвь 3 р-типа проводимости. В каждом ряду ветви 2 и 3 чередуются между собой и расположены с образованием между ними одинаковых промежутков 4.

Указанные ряды 1 термоэлементов ограничены со стороны верхних торцов 5 и 6 соответственно ветвей 2 и 3 и нижних торцов 7 и 8 соответственно ветвей 2 и 3 керамическими теплообменными пластинами 9 и 10 горячих и холодных спаев (пластинами теплопереходов). Количество термоэлементов в модуле определяет его холодопроизводительность. В качестве материалов ветвей термоэлементов использованы материалы на основе теллурида висмута n-типа и р-типа проводимости. При этом в качестве материалов ветвей n-типа проводимости использованы преимущественно легированные твердые растворы Вi₂Те₃-Bi₂Se₃, а в качестве материалов ветвей р-типа проводимости использованы преимущественно твердые растворы Bi₂Te₃-Sb₂Te₃.

В каждом ряду 1 верхние торцы 5 и 6 каждой соседней пары ветвей 2 и 3 связаны между собой, образуя n-р переход, коммутационными шинами 11. Аналогично этому в каждом ряду 1 нижние торцы 7 и 8 ветвей 2 и 3 связаны между собой, образуя n-р переход, коммутационными шинами 12. В каждом ряду коммутационные шины 11, соединяющие верхние торцы 5 и 6 ветвей 2 и 3, смещены в параллельных плоскостях относительно коммутационных шин 12, соединяющих нижние торцы 7 и 8 ветвей 2 и 3, на величину промежутка между ветвями. Иными словами, в каждом ряду верхний торец 5 каждой ветви 2 n-типа связан коммутационной шиной 11, образуя n-р переход, с верхним торцом 6 соседней с ним ветви 3 р-типа, расположенного по одну сторону от ветви 2. При этом нижний торец 7 этой же ветви 2 n-типа связан коммутационной шиной 12, образуя n-р переход, с нижним торцом 8 соседней с ним ветви 3 р-типа, расположенной по другую сторону от указанной ветви 2. Все коммутационные шины 11 подсоединены к теплообменной пластине 9 и все коммутационные шины 12 подсоединены к теплообменной пластине 10. Коммутационные шины 11 и 12 сформированы из металлов высокой проводимости, преимущественно из меди.

Для электрического соединения ветвей 2 и 3 термоэлементов с коммутационными шинами 11 и 12 служат омконтакты 13. В простейшем случае соединение ветвей 2 и 3 с коммутационными шинами 11 и 12 осуществляется припоем олово-висмут. В лучшем случае омконтакт 13 формируется, например, вакуумной металлизацией ветвей 2 и 3 термоэлемента с использованием диффузионного барьера, адгезионного подслоя и слоя металла высокой проводимости. При металлизации никелем первые два слоя можно не формировать. Омконтакты 13 при помощи припоя (слой 14) соединяются с коммутационными шинами 11 и 12. С крайними полупроводниковыми ветвями 2 и 3 в ряду соединены электрические проводники 15 и 16, предназначенные для соединения термоэлектрического модуля с источником постоянного напряжения.

На элементы термоэлектрического модуля нанесено герметизирующее защитное покрытие 17, коэффициент теплопроводности которого не превышает коэффициент теплопроводности термоэлектрического материала ветвей термоэлементов. Такое покрытие наносится:

- на боковые поверхности каждой из полупроводниковых ветвей 2 и 3;

- на открытые участки L₁ внутренних поверхностей коммутационных шин 11 и 12, т.е. на те участки, которые обращены внутрь модуля и находятся в промежутках между ветвями 2 и 3;

- на открытые участки L₂ внутренних поверхностей теплообменных пластин 9 и 10, т.е. на те участки, которые обращены внутрь модуля и находятся в промежутках между ветвями 2 и 3.

Покрытие 17 формируется в виде тонкой пленки эпоксидно-уретанового лака, преимущественно марки УР-231. В состоянии поставки это двухкомпонентная система, состоящая из раствора алкидно-эпоксидной смолы Э-30 и отвердителя (70% раствора уретана ДГУ в циклогексаноне).

Все наружные боковые поверхности а, б, с ветвей периферийных рядов 19, 20, 21, 22 термоэлементов охвачены единым сплошным замкнутым защитным покрытием 18 из силиконового герметика, наружная поверхность которого расположена заподлицо с боковыми поверхностями теплообменных пластин 9 и 10.

В качестве материала покрытия использован силиконовый герметика марки ВГО-1.

Термоэлектрический модуль может быть каскадным, как показано на фиг.3, как однокаскадным, так и много каскадным, т.е. состоящим из нескольких термоэлектрических модулей, технически сопряженных между собой по тепловому потоку последовательно, холодные спаи одних модулей отводят тепло от горячих спаев других смежных модулей. Электрическое питание каскадов можно осуществлять последовательно, параллельно или независимо. Число термоэлементов нижнего каскада должно быть больше верхнего. В этом случае нижний каскад имеет избыточную холодопроизводительность, что позволяет снижать температуру верхнего каскада. При использовании каскадирования можно значительно повысить холодильный коэффициент термоэлектрического устройства.

Термоэлектрический модуль работает следующим образом.

При подключении проводников 15 и 16 к источнику постоянного напряжения и протекании тока через электрическую цепь, образованную последовательно соединенными полупроводниковыми ветвями 2 и 3 термоэлементов, в результате действия эффекта Пельтье одна теплообменная пластина охлаждается, а другая нагревается в зависимости от направления тока в электрической цепи.

Термоэлектрический модуль относится к термоэлектрическим приборам на твердом теле, работающим на основе эффекта Пельтье. Помещенные между двумя теплообменными пластинами горячих и холодных спаев термоэлементы последовательно соединены в электрическую цепь. Каждый термоэлемент образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника n- и р-типа проводимости и соединенными коммутационными шинами, закрепленными на внутренних поверхностях теплообменных пластин горячих и холодных спаев. Все наружные боковые поверхности периферийных ветвей периферийных рядов термоэлементов охвачены единым сплошным замкнутым защитным покрытием из силиконового герметика, наружная поверхность которого расположена заподлицо с боковыми поверхностями теплообменных пластин. Поверхности ветвей термоэлементов и открытые внутренние поверхности коммутационных шин и теплообменных пластин покрыты герметизирующим защитным покрытием в виде пленки эпоксидно-уретанового лака. Использование изобретения позволит обеспечить надежную защиту модуля от воздействия внешних факторов. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Термоэлектрический модуль, характеризующийся тем, что он содержит помещенные между двумя теплообменными пластинами горячих и холодных спаев и последовательно соединенные в электрическую цепь параллельные ряды термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника n- и р-типа проводимости, торцевые поверхности ветвей n- и р-типа термоэлементов соединены с образованием n-р переходов, коммутационными шинами, закрепленными на внутренних поверхностях теплообменных пластин горячих и холодных спаев, при этом все наружные боковые поверхности периферийных ветвей периферийных рядов термоэлементов охвачены единым сплошным замкнутым защитным покрытием из силиконового герметика, наружная поверхность которого расположена заподлицо с боковыми поверхностями теплообменных пластин.

2. Термоэлектрический модуль по п.1, характеризующийся тем, что в качестве силиконового герметика использован герметик марки ВГО-1.

3. Термоэлектрический модуль по п.1, характеризующийся тем, что на боковые поверхности каждой ветви термоэлементов и на открытые внутренние поверхности коммутационных шин и матриц нанесено герметизирующее защитное покрытие в виде пленки эпоксидно-уретанового лака.

4. Термоэлектрический модуль по п.1, характеризующийся тем, что торцы ветвей n- и р-типа соединены с коммутационными шинами через омконтакты.

5. Термоэлектрический модуль по п.1, характеризующийся тем, что в качестве материалов ветвей термоэлементов использованы материалы на основе теллурида висмута n-типа и р-типа проводимости.

6. Термоэлектрический модуль по п.1, характеризующийся тем, что коммутационные шины выполнены из меди.

7. Термоэлектрический модуль по п.1, характеризующийся тем, что в качестве эпоксидно-уретанового лака использован лак марки УР-231.