ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАЖДАЮЩИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H01L35/28 

Изобретение относится к термоэлектрическим охлаждающим устройствам, обеспечивающим прямое преобразование электрической энергии в тепловую на основе эффекта Пельтье, а конкретно к конструкции термоэлектрического охлаждающего модуля для экстремальных условий эксплуатации.

Изобретение может быть использовано в различных областях техники, в частности в устройствах охлаждения для специальных транспортных средств, эксплуатируемых в сложных климатических условиях (например, в зонах землетрясений, извержений вулканов, бурь и смерчей в пустынях, обширных пожаров), для которых характерны многократные перепады температур (т.е. многократное термоциклирование), резкие и долговременные вибрации, существенные перепады атмосферного давления, интенсивные (ударные) механические воздействия.

Известно, что термоэлектрический охлаждающий модуль (далее ТЭМО), работающий на основе эффекта Пельтье, предназначен для передачи тепловой энергии от одной поверхности к другой и состоит из полупроводниковых ветвей с проводимостями p- и n-типов, расположенных между двумя диэлектрическими подложками, с поверхностями которых контактируют коммутационные шины, соединяющие полупроводниковые ветви в единую электрическую цепь. При пропускании тока через эту электрическую цепь тепловая энергия с одной из подложек через полупроводниковые ветви перекачивается на другую подложку, при этом температура первой из подложек падает (охлаждается), а второй - увеличивается (нагревается). Это свойство ТЭМО используют для создания различных охлаждающих устройств, «откачивающих» тепловую энергию из рабочего пространства во внешнюю среду или передающих тепло от одной поверхности к другой.

Термоэлектрические охлаждающие модули (ТЭМО) по сравнению с традиционными холодильными агрегатами обладают рядом преимуществ, из которых наиболее существенными являются малые массогабаритные характеристики и экологическая чистота.

Однако в данной области техники ряд конструктивных и технологических проблем остаются нерешенными. В настоящее время продолжают совершенствовать конструкции термоэлектрических модулей, решая при этом проблему повышения теплообмена путем улучшения качества перехода между полупроводниковыми ветвями и электрическими и термоэлектрическими соединениями ТЭМО.

Особое внимание в области разработки конструкции модулей уделяют проблеме повышения надежности ТЭМО при эксплуатации в условиях многократного термоциклирования, резких вибраций и интенсивных механических воздействий.

Широко известны различные конструкции термоэлектрических охлаждающих модулей. Например, известен термоэлектрический модуль (авт. св. СССР №409456, H01L 35/32, 1973), включающий полупроводниковые ветви p- и n-типов проводимостей, соединенные коммутационными шинами, и теплопереходы, выполненные из металлической фольги с нанесенной на ее поверхность окисной пленкой. Недостатками этой конструкции являются низкая надежность эксплуатации из-за невысокой прочности теплопереходов и быстрой разрушаемости полупроводниковых ветвей из-за возникающих в них термомеханических напряжений. Эти недостатки препятствуют применению данной известной конструкции модуля в условиях резких перепадов температур и интенсивных механических воздействий.

Известен термоэлектрический охлаждающий модуль (патент США №5171372, кл. H01L 35/28, 1992), содержащий полупроводниковые ветви n- и p-типов проводимости, соединенные коммутационными шинами, которые присоединены соответственно к охлаждаемой и теплоотводящей теплообменным пластинам. В этом модуле ветви расположены параллельно и их торцевые поверхности размещены в одной плоскости. При изготовлении модуля проводят предварительную металлизацию отдельных участков теплообменных пластин в соответствии со схемой расположения коммутационных шин, а затем их припаивают к торцевым поверхностям ветвей и к нанесенным слоям металла на теплообменных пластинах, получая таким образом систему жестких теплоконтактных соединений.

Недостатками данного известного термоэлектрического охлаждающего модуля являются низкая надежность, низкий ресурс безаварийной работы, низкие прочностные качества, нестабильность выходных параметров и отсутствие выносливости при эксплуатации в жестких условиях окружающей среды (многократных термоциклированиях, резких вибрациях и интенсивных механических воздействиях). Эти недостатки обусловлены следующими причинами. При работе ТЭМО в термоциклическом режиме в результате различия коэффициентов теплового расширения разных жестко соединенных материалов коммутационных шин, теплообменных пластин и полупроводниковых ветвей происходит смещение (т.е. регулярное микродвижение, колебание) коммутационных шин относительно теплообменных пластин, что приводит к появлению значительных термомеханических деформирующих напряжений в области контакта полупроводниковых ветвей с коммутирующими шинами. При этом в полупроводниковых ветвях появляются микротрещины, разрушающие структуру модуля и приводящие к ухудшению его параметров, а также к выходу его из строя. Эти явления приводят к разрушению структуры ТЭМО, отсутствию возможности получения стабильных расчетных параметров устройства, вероятности возникновения пожароопасных ситуаций.

Известен термоэлектрический модуль (патент №2075138, H01L 35/30, 1997), относящийся к охлаждающим устройствам и состоящий из полупроводниковых ветвей с проводимостями p- и n-типов, соединенных металлическими шинами с высокой электропроводностью в единую электрическую цепь и размещенных между подложками таким образом, что все горячие спаи соединены с одной подложкой, а все холодные - с противоположной. Коммутационные шины соединены с подложками через металлические контактные площадки. Подложки выполнены в виде металлодиэлектрических пластин, состоящих из металлического основания и нанесенного на него полиимидного слоя, обладающего высокой адгезией к металлу основания.

В этом модуле одна поверхность коммутационных шин припаяна к торцевым поверхностям полупроводниковых ветвей, а другая поверхность коммутационных шин припаяна к металлическим контактным площадкам на подложке. Таким образом, в модуле получена конструкция неразъемных жестких контактных соединений.

Недостатком данного известного термоэлектрического охлаждающего модуля является низкая эксплуатационная надежность и нестабильность выходных параметров при работе в условиях многократного термоциклирования и интенсивных механических нагрузок. Причины для этого следующие. При резком изменении температуры, например до 150°C и выше, в неразъемных жестких соединениях модуля возникают значительные деформирующие термомеханические напряжения, обусловленные различием коэффициентов термического расширения сопрягаемых узлов модуля. В результате в местах контакта сопрягаемых элементов конструкции модуля образуются микротрещины, что, в свою очередь, приводит к ухудшению параметров модуля и выходу его из строя.

Известен термоэлектрический модуль (патент №2158988, H01L 35/30, 2000), содержащий полупроводниковые элементы p- и n-типов проводимости, соединенные токопроводами, и теплопроводные и электропроводные металлические подложки (например, из алюминия, титана, тантала). Между металлическими подложками и токопроводами размещен слой электроизоляционного полимерного материала, например полиимид. Слои электроизоляционного материала в таких термоэлектрических модулях необходимы потому, что теплопроводные материалы имеют одновременно хорошую электропроводность, а элементы из теплопроводного и, следовательно, электропроводного материала должны быть надежно электрически изолированы от токопроводов. Для обеспечения эффективной работы таких термоэлектрических модулей необходимо, чтобы слой электроизоляционного полимерного материала имел оптимальную толщину: если толщина этого слоя слишком велика, то ухудшаются преобразующие свойства модуля, а если толщина слишком мала, то возможен пробой слоя электроизоляционного полимерного материала электрическим напряжением при работе модуля.

Недостатками данного известного термоэлектрического модуля являются низкая надежность эксплуатации и значительное ухудшение выходных параметров при работе в условиях многократного термоциклирования и интенсивных механических напряжений. Эти недостатки обусловлены тем, что при резком повышении температуры до 150°C и выше уменьшается предел прочности связи слоя электроизоляционного полимерного материала с металлическими подложками и токопроводами и происходит отслаивание упомянутого слоя от сопрягаемых элементов, ухудшающих преобразующие свойства конструкции, уменьшающих прочностные характеристики модуля, приводящие к ухудшению теплопреобразовательных свойств устройства. При этом из-за существенной разницы теплового расширения материалов токопроводов и соединенных с ними полупроводниковых ветвей в месте их контакта возникают деформирующие термомеханические напряжения, разрушающие сопрягаемые элементы устройства, что, в свою очередь, приводит к ухудшению выходных параметров модуля и выходу его из строя.

Таким образом, недостатками этой конструкции ТЭМО являются низкий ресурс безаварийной работы, нестабильность получения расчетных выходных параметров, отсутствие выносливости и низкая пожароустойчивость при жестких экстремальных условиях эксплуатации.

Известен термоэлектрический охлаждающий модуль (патент РФ №2117362, H01L 35/28, 1998), эксплуатируемый преимущественно в условиях многократного термоциклирования. Данный известный термоэлектрический охлаждающий модуль содержит полупроводниковые ветви n- и p-типов проводимости, соединенные коммутационными шинами. Каждая коммутационная шина, расположенная, по крайней мере, на одной теплообменной пластине, присоединена к ней посредством термоконтактного соединения, выполненного в виде слоя, изготовленного из упругого клеевого компаунда, например, может быть использована высокотеплопроводная силиконовая резина марки RTV. Толщина слоя компаунда лежит в диапазоне 5-30 мкм.

Недостатками этой известной конструкции являются низкая надежность эксплуатации и резкое снижение ресурса работы из-за возникновения большого количества отказов при эксплуатации при температурах 150°C и выше в условиях многократного термоциклирования и интенсивных механических воздействий. Исследования показали, что причиной отказов явилось отслаивание коммутационных шин от теплообменной пластины. Это связано с тем, что при повышении температуры до 150°C и более предел прочности связи компаунда с конструкционными элементами модуля значительно снижается по сравнению со значением этого параметра при комнатной температуре, при этом, дополнительно, вследствие существенной разницы в коэффициентах теплового расширения контактирующих разнородных материалов элементов конструкции модуля (клеевого компаунда, коммутационной шины, теплообменных пластин и полупроводниковых ветвей) возникают деформирующие термомеханические напряжения, приводящие к появлению микротрещин в ветвях и к разрушению контакта между полупроводниковой ветвью и коммутационной шиной, что приводит к резкому возрастанию электрического сопротивления и, как следствие, к значительному повышению температуры вплоть до его выгорания и соответственно к выходу из строя термоэлектрического модуля.

Также недостатками этой известной конструкции ТЭМО являются нестабильность получения расчетных выходных параметров, низкий ресурс безаварийной работы, низкие прочностные качества, отсутствие выносливости и низкая пожароустойчивость при жестких экстремальных условиях эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является конструкция термоэлектрической батареи по патенту РФ №2142177, H01L 35/02, 1999 (прототип), работающая на основе эффекта Пельтье. Данная известная термоэлектрическая батарея содержит полупроводниковые ветви p- и n-типов проводимости, соединенные коммутационными шинами, токоподводы, металлические теплопереходы (подложки). К коммутационным шинам присоединены теплопереходы посредством слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала (резины, клеи, герметики), которые являются средством для снижения термических напряжений при работе термобатареи. Устройство имеет дополнительное средство снятия термических напряжений в виде сквозных прорезей в теплопереходе, заполненных эластичным материалом. Еще одно дополнительное средство снятия упомянутых напряжений выполнено в виде тиснений, нанесенных на теплопереход.

Недостатками этого известного устройства являются следующие. Устройство не обладает выносливостью к долгосрочному действию в экстремальных жестких условиях эксплуатации. При резком повышении температуры до 150°C и выше предел прочности связи слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала с теплопереходами и коммутирующими шинами значительно снижается и происходит отслаивание упомянутого слоя от теплоперехода и коммутационных шин. В этом состоянии упомянутый слой не предотвращает деформацию контакта полупроводниковых ветвей с коммутационными шинами. При этом из-за существенной разницы теплового расширения коммутационных шин, полупроводниковых ветвей и теплопереходов в месте их контакта возникают деформирующие термоэлектрические напряжения, разрушающие сопрягаемые элементы устройства, что, в свою очередь, приводит к ухудшению выходных параметров устройства и выходу его из строя.

Недостатком этого известного устройства являются низкие прочностные качества и электроизоляционные, которые еще более ухудшаются за счет сквозных прорезей в теплопереходах и тиснений, нанесенных на теплопереход. При создании сквозных прорезей и тиснений в теплопереходах нарушается их целостность и образуются в структуре материала деформирующие микротрещины, которые в процессе эксплуатации ТЭМО приводят к быстрому его разрушению.

Другими недостатками этой известной конструкции ТЭМО являются низкая надежность эксплуатации, нестабильность выходных параметров, низкий ресурс безаварийной работы при эксплуатации в режиме многократных термоциклирований и интенсивных механических воздействий.

Таким образом, технический уровень на данный момент времени показывает, что известные термоэлектрические охлаждающие модули не обладают достаточно высокой надежностью, выносливостью и прочностью при длительной эксплуатации в жестких экстремальных условиях окружающей среды, не обеспечивают достаточно высокую стабильность рабочих характеристик, поскольку известные конструкции упомянутых модулей имеют низкую надежность связи коммутирующих шин с теплообменными пластинами вследствие нерешенности следующих проблем:

- отсутствие конструктивной возможности обратимого смещения коммутационных шин относительно теплообменной пластины, что необходимо для снижения термомеханических напряжений в области контактов полупроводниковых ветвей с коммутационными шинами,

- отсутствие прочности связи эластичного электроизоляционного материала с теплопереходами, что необходимо для того, чтобы исключить «отслаивание» от теплообменной пластины коммутационных шин.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, состоит в создании высоконадежного оригинального термоэлектрического охлаждающего модуля, конструкция которого отличается от известных решений высокой надежностью эксплуатации, выносливостью и повышенной прочностью, длительным ресурсом безаварийной работы и стабильными выходными параметрами при эксплуатации в жестких экстремальных условиях.

Эти качества должны быть обеспечены за счет того, что в заявляемой конструкции решена задача по созданию прочного, но не жесткого, а микроподвижного соединения коммутационных шин с теплообменными пластинами, благодаря чему удалось решить проблему по снижению разрушающего влияния термомеханических напряжений в области контакта полупроводниковых ветвей с коммутационными шинами, а также конструктивно обеспечить решение проблемы по устранению возможности «отслаивания» коммутационных шин от теплообменной пластины.

При создании конструкции заявляемого устройства для решения поставленных задач разработанное техническое решение при эксплуатации в жестких экстремальных условиях должно обладать:

- оптимальной компактностью, технологичностью и простотой конструкции с жесткими ограничениями по массе, габаритам и техническим параметром,

- стабильностью заданных выходных параметров,

- повышенной прочностью и выносливостью как основных элементов так и соединяющих их средств при воздействии синусоидальной вибрации в двух взаимно перпендикулярных направлениях в диапазоне частот 5-2000 Гц и амплитудой 20g,

- повышенной прочностью к воздействию механического удара одиночного действия с ускорением 500g и длительностью одна амплитуда,

- должен сохранять свои параметры после воздействия повышенной (+150°C) и пониженной (-60°C) температуры среды,

- должен быть прочным к воздействию повышенной влажности воздуха 98% при 30°C,

- должен быть устойчив к воздействию 50 000 термоциклов циклической эксплуатации,

- должен быть стойким к высокой дозе ионизирующего излучения,

- должен быть устойчивым и сохранять параметры при температуре среды от 0°C до 60°C и атмосферном пониженном давлении до 1,33·10^-4 Па.

Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.

Техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается и используется (см. прилагаемую рекламу на одном листе).

Предлагается термоэлектрический охлаждающий модуль, содержащий «холодную» и «горячую» подложки с размещенным между ними матричным блоком термоэлектрических элементов из множества полупроводниковых ветвей p- и n-типов проводимости электрически попарно соединенных коммутационными шинами в последовательную электрическую цепь так, что коммутационные шины «холодных» спаев термоэлектрических элементов расположены с одной «холодной» стороны матричного блока термоэлектрических элементов, а коммутационные шины «горячих» спаев термоэлектрических элементов расположены с противоположной «горячей» стороны упомянутого матричного блока, при этом между «холодной» подложкой и «холодной» стороной упомянутого матричного блока размещено теплопроводное высокоэластичное средство соединения коммутационных шин «холодных» спаев термоэлектрических элементов с «холодной» подложкой, а между «горячей» подложкой и «горячей» стороной упомянутого матричного блока размещено средство соединения коммутационных шин «горячих» спаев термоэлектрических элементов с «горячей» подложкой.

Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что термоэлектрический охлаждающий модуль снабжен силиконовыми скрепляющими праймерами, каждый из которых выполнен в виде усеченной пирамиды и прикреплен меньшим основанием упомянутой пирамиды к свободной поверхности коммутационной шины всех «холодных» спаев термоэлектрических элементов по «холодной» стороне упомянутого матричного блока, а также адгезионным элементом для «холодной» подложки, выполненным в виде теплопроводной эластичной микрорельефной пленки, повторяющей микрорельеф внутренней поверхности «холодной» подложки, и закрепленным на ней, при этом теплопроводное высокоэластичное средство соединения коммутационных шин «холодных» спаев термоэлектрических элементов с «холодной» подложкой выполнено в виде протектора с рельефным рисунком, размещенным на внутренней поверхности «холодной» подложки поверх адгезионного элемента для «холодной» подложки, рельефный рисунок упомянутого протектора выполнен в виде чередующихся выступов, имеющих форму усеченных четырехгранных пирамид, с каждым меньшим основанием которой соединен силиконовый праймер на соответствующей коммутационной шине «холодных» спаев термоэлектрических элементов с возможностью образования внутри каждой упомянутой пирамиды лунок для размещения в них коммутационных шин, а средство соединения коммутационных шин «горячих» спаев термоэлектрических «элементов» с «горячей» подложкой выполнено в форме матрицы адгезионных элементов, каждый из которых выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды из стойкого к окислению проводникового материала, например серебра, причем упомянутые пирамиды закреплены своими большими основаниями на внутренней поверхности «горячей» подложки попарно, при этом каждая пара упомянутых пирамид присоединена своими меньшими основаниями к соответствующей коммутационной шине «горячей» стороны матричного блока термоэлектрических элементов.

Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:

- фиг.1 - термоэлектрический охлаждающий модуль, вид спереди;

- фиг.2 - термоэлектрический охлаждающий модуль, вид сбоку;

- фиг.3 - термоэлектрический охлаждающий модуль, вид А (сечение);

- фиг.4 - термоэлектрический охлаждающий модуль, вид А (сечение в аксонометрии) со стороны «горячей» подложки, в разобранном состоянии;

- фиг.5 - термоэлектрический охлаждающий модуль, вид А (сечение в аксонометрии) со стороны «холодной» подложки, в разобранном состоянии;

- фиг.6 - матричный блок 4 термоэлектрических элементов, аксонометрический вид со стороны «холодной» подложки;

- фиг.7 - матричный блок 4 термоэлектрических элементов, аксонометрический вид со стороны «горячей» подложки;

- фиг.8 - силиконовый праймер 14 в аксонометрии;

- фиг.9 - крепление силиконового праймера 14 на коммутационной шине 8;

- фиг.10 - матрица адгезионных элементов (вид с внутренней стороны «горячей» подложки);

- фиг.11 - протектор с внутренней стороны «холодной» подложки.

Заявляемое изобретение - термоэлектрический охлаждающий модуль 1 (см. фиг.1-11) содержит «холодную» и «горячую» подложки (поз.2 и 3 на фиг.1 - 11) с размещенным между ними матричным блоком 4 (фиг.2, 6-8) термоэлектрических элементов 5 из множества полупроводниковых ветвей n- и p-типов проводимости (поз.6 и 7 на фиг.2, 6, 7) электрически попарно соединенных коммутационными шинами 8 (фиг.1-8) в последовательную электрическую цепь.

Коммутационные шины 8 «холодных» спаев термоэлектрических элементов (фиг.6) расположены с одной «холодной» стороны 9 матричного блока 4 (2, 6-9) термоэлектрических элементов. Коммутационные шины 8 «горячих» спаев термоэлектрических элементов (фиг.7) расположены с противоположной «горячей» стороны 10 упомянутого матричного блока 4. Между «холодной» подложкой 2 и «холодной» стороной 9 упомянутого матричного блока 4 размещено теплопроводное высокоэластичное средство соединения 11 коммутационных шин «холодных» спаев термоэлектрических элементов с «холодной» подложкой (фиг.11). Между «горячей» подложкой 3 и «горячей» стороной 10 упомянутого матричного блока 4 размещено средство соединения 12 коммутационных шин «горячих» спаев термоэлектрических элементов с «горячей» подложкой 3 (фиг.10).

Термоэлектрический охлаждающий модуль 1 снабжен силиконовыми праймерами 14 (фиг.8-9).

Пояснение термина праймер:

1) праймер - это материал, применяемый для предварительной подготовки поверхности перед нанесением какого-либо покрытия. Праймеры используются для улучшения (усиления) адгезии (сцепления) подложки с финишным покрытием;

2) праймер - это подслой, наносимый на субстрат (подложку) перед нанесением основного слоя. Используется для обеспечения необходимой адгезии, для обеспечения коррозионной стойкости термобарьерных покрытий, для снятия напряжения.

1) http: //www. korsil.ru/germetiki

2) http: //ru.wikipedia.org

В качестве силиконового праймера 14 может быть применен праймер и активатор для стекла и металла Terostat-Primer 8519Р, а также высокотемпературный силикон арт. 0892.330.

Каждый праймер 14 выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды (фиг.8-9) и прикреплен меньшим своим основанием к свободной поверхности каждой коммутационной шины 8 по «холодной» стороне 9 матричного блока 4. Количество праймеров 14 равно количеству коммутационных шин по «холодной» стороне матричного блока 4.

Наличие праймеров 14 обеспечивает усиление гибкого сцепления коммутационных шин с элементами средств соединения и за счет этого позволяет обеспечить высокие прочность и несущую способность в направлении связи с полупроводниковыми ветвями при сохранении гибкости в направлении связи коммутационных шин с «холодной» подложкой. При этом силиконовые праймеры 14 допускают большие обратимые деформации, рассеивают при деформациях значительное количество энергии и, следовательно, хорошо гасят колебания, обеспечивая ослабление действия термомеханических напряжений в области контакта с коммутационными шинами.

Термоэлектрический охлаждающий модуль также содержит адгезионный элемент для «холодной» подложки, который выполнен в виде теплопроводной эластичной микрорельефной пленки 16 (фиг.3), повторяющей микрорельеф внутренней поверхности «холодной» подложки, и суперплотно закреплен на ней. Микрорельефная пленка 16 может быть выполнена из однокомпонентного теплопроводящего нейтрального герметика Dow Corning SE 4486.

При этом микрорельефная пленка 16 (фиг.3) обеспечивает улучшение сцепления с «холодной» подложкой последующих элементов соединения, содействуя созданию гибкой, упругой и прочной связи между «холодной» подложкой, средством соединения и коммутационными шинами, препятствуя при этом отслаиванию коммутационных шин и средства соединения 11 от «холодной» подложки.

Средство соединения 11 коммутационных шин «холодных» спаев термоэлектрических элементов с «холодной» подложкой выполнено в виде теплопроводного высокоэластичного протектора 17 (фиг.11) с рельефным рисунком, размещенным на внутренней поверхности «холодной» подложки поверх ее адгезионного элемента 16, причем рельефный рисунок упомянутого протектора 17 выполнен в виде чередующихся выступов, имеющих форму усеченных четырехгранных пирамид 18 (фиг.11), каждое меньшее основание которой скреплено с каждым силиконовым праймером 14 (фиг.3) на соответствующей коммутационной шине «холодных» спаев термоэлектрических элементов по «холодной» стороне матричного блока 4. Причем с каждым меньшим основанием усеченных четырехгранных пирамид 18 протектора 17 соединен силиконовый праймер 14 на соответствующей коммутационной шине по «холодной» стороне матричного блока темоэлементов с возможностью образования внутри каждой пирамиды лунок 15 (фиг.3-9) для размещения в них соответствующих коммутационных шин. Материалом протектора 17 может быть однокомпонентный теплопроводящий нейтральный герметик Dow Corning SE 4486.

Средство соединения 19 (фиг.10) коммутационных шин «горячих» спаев термоэлектрических элементов с «горячей» подложкой выполнено в форме матрицы 20 (фиг.10) из адгезионных элементов 18 для «горячей» подложки. Каждый из этих адгезионных элементов 18 выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды 21 (фиг.3, 5, 11) из стойкого к окислению проводникового материала, например серебра. Причем упомянутые пирамиды 21 из серебра закреплены своими большими основаниями на внутренней поверхности «горячей» подложки попарно, при этом каждая пара упомянутых пирамид 21 своими меньшими основаниями присоединена к соответствующей коммутационной шине «горячих» спаев по «горячей» стороне матричного блока 4 термоэлектрических элементов.

Термоэлектрический охлаждающий модуль 1 содержит токовые выводы 22 (фиг.1-10). На полупроводниковые ветви 6 и 7 n- и p-типов проводимости нанесен припой 23 (фиг.3-5), например марки ПОС-61, для соединения их с коммутационными шинами 8.

Подложки выполняют из высокотеплопроводных изоляционных материалов, например, керамики.

Заявляемый термоэлектрический охлаждающий модуль 1 работает следующим образом (см. фиг.1-11). На внешней поверхности «холодной» подложки устанавливают охлаждаемый объект (не показан), а к внешней поверхности «горячей» подложки присоединяют теплосъемное устройство (не показано). Источник постоянного тока (не показан) подключают к токовым выводам 22 термоэлектрического охлаждающего модуля 1 и постоянный ток пропускают через полупроводниковые ветви.

Вследствие эффекта Пельтье на «холодных» спаях полупроводниковых ветвей и соединенных с ними коммутационных шинах происходит поглощение тепловой энергии от «холодной» подложки и она постепенно охлаждается и, соответственно, охлаждается объект, на ней установленный и имеющий тепловой контакт. Одновременно с этим на «горячих» спаях полупроводниковых ветвей и соединенных с ними коммутационных шинах происходит выделение тепловой энергии в «горячую» подложку, тепло которой отводится теплосъемным устройством. Таким образом, при подаче тепловой энергии от одной подложки к другой происходит процесс охлаждения. В процессе охлаждения в местах контакта полупроводниковых ветвей с коммутационными шинами возникают термомеханические напряжения, приводящие к смещениям (микроколебаниям) коммутационных шин относительно «холодной» подложки. Эти смещения (микроколебания) в данной конструкции модуля являются допустимыми, т.е. возможными. Возможность этих смещений (микроколебаний) конструктивно создана благодаря наличию на коммутационных шинах силиконовых праймеров 14, передающих энергию микроколебаний протектору 17, который в силу своих конструктивных особенностей обладает демпфирующими способностями и хорошо гасит колебания. Таким образом, указанные термомеханические напряжения переходят в обратимые деформации протектора 17. Благодаря этому обеспечено решение проблемы по устранению возможности разрушения полупроводниковых ветвей в местах контакта с коммутационными шинами. Проблема отслаивания коммутационных шин от «холодной» подложки устранена следующим образом. Теплопроводная эластичная микрорельефная пленка увеличивает прочность скрепления «холодной» подложки со средством соединения коммутационных шин «холодных» спаев термоэлектрических элементов с «холодной» подложкой. С другой стороны, увеличивается прочность скрепления упомянутого средства соединения с коммутационными шинами благодаря прочному скреплению силиконовых праймеров 14 с теплопроводным высокоэластичным протектором 17. Таким образом, за счет значительного увеличения прочности скрепления соединяемых элементов конструкции модуля 1 исключена возможность отслаивания коммутационных шин от «холодной» подложки.

Кроме того, выполненные в виде усеченных четырехгранных пирамид праймеры и элементы протектора при их соединении образуют своеобразное буферное соединение, гасящее возникающие в процессе работы ТЭМО термомеханические напряжения, устраняя тем самым возможность разрушения ТЭМО. Таким образом, проявленное свойство буферности у средства соединения коммутационных шин «холодных» спаев термоэлементов с «холодной» подложкой обеспечивает устранение влияния термомеханических деформаций на область контакта коммутационных шин 8 и полупроводниковых ветвей по «холодной» стороне ТЭМО. Благодаря этому обеспечена возможность стабильного получения заданных выходных параметров ТЭМО при эксплуатации его в жестких экстремальных условиях.

Проблема снижения влияния термомеханических напряжений «горячих» спаев термоэлектрических элементов обеспечена за счет оригинальной конструкции средства соединения коммутационных шин «горячих» спаев термоэлектрических элементов следующим образом:

- выполнение упомянутого средства в виде матрицы адгезионных элементов позволяет равномерно распределить тепловую нагрузку на поверхности подложки;

- выполнение каждого элемента матрицы адгезионных элементов в виде усеченной четырехгранной пирамиды из стойкого к окислению проводникового материала, например серебра, позволяет укрепить сцепление с подложкой упомянутого средства соединения, а также придать этому соединению свойства гибкости, пластичности, тягучести, а также устойчивости к действию влажной среды (коррозионностойкость), способность не взаимодействовать с органическими кислотами, с растворами щелочей, азотом, углеродом, кислородом, способность выдерживать высокие температуры.

Информация:

Серебро - металл белого цвета, очень тягучий, пластичный и ковкий. Серебро тверже золота, является самым электро- и теплопроводным материалом. Плотность 10,50; температура плавления 960,5°C; твердость по Бренеллю 25. Серебро устойчиво к действию влажной среды, не взаимодействует с органическими кислотами, с растворами щелочей, азотом, углеродом, устойчиво по отношению к кислороду. Обладает высокой коррозионной стойкостью. Серебро устойчиво к действию серной, соляной и плавиковой кислот. В.И. Марченков, «Ювелирное дело», М., «Высшая школа», 1992 г., с. 13-14.

Таким образом, заявляемое техническое решение представляет собой оригинальный термоэлектрический охлаждающий модуль, который отличается от известных решений высокими надежностью, прочностью и выносливостью при эксплуатации в жестких экстремальных условиях эксплуатации (многократном термоциклировании, долговременных вибрациях, перепадах давления, интенсивных механических воздействиях).

В заявляемом термоэлектрическом охлаждающем модуле конструктивно решена проблема ослабления деформирующих тепломеханических воздействий на область контакта полупроводниковых ветвей с коммутирующими шинами путем создания прочных гибко-подвижных средств соединения коммутационных шин с теплообменными пластинами как по «холодной», так и по «горячей» сторонам ТЭМО, конструктивно повысивших прочность сцепления коммутационных шин, средств соединения и подложек. За счет этого также значительно повышена пожароустойчивость ТЭМО при эксплуатации в жестких экстремальных условиях.

При циклических испытаниях, в которых при термоциклировании перепад температур достигает 50°C, заявляемый модуль выдерживает 50000 термоциклов (нагрев-охлаждение). При этом в заявляемой конструкции термоэлектрического охлаждающего модуля обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:

- оптимальная компактность, технологичность и простая конструкция с жесткими ограничениями по массе, габаритам и техническим параметрам,

- стабильность заданных выходных параметров,

- повышенная прочность и выносливость как основных элементов, так и соединяющих их средств при воздействии синусоидальной вибрации в двух взаимно перпендикулярных направлениях в диапазоне частот 5-2000 Гц и амплитудой 20g,

- повышенная прочность к воздействию механического удара одиночного действия с ускорением 500g и длительностью одна амплитуда,

возможность сохранять свои параметры после воздействия повышенной (+150°C) и пониженной (-60°C) температуры среды,

- возможность быть прочным к воздействию повышенной влажности воздуха 98% при 30°C,

- возможность быть устойчивым к воздействию 50 000 циклической эксплуатации,

- возможность быть стойким к высокой дозе ионизирующего излучения,

- возможность быть устойчивым и сохранять параметры при температуре среды от 0°C до 60°C и атмосферном пониженном давлении до 1,33·10^-4 Па,

- высокая пожароустойчивость при жестких экстремальных условиях эксплуатации.

зобретение относится к области термоэлектричества, в частности, термоэлектрическим охлаждающим модулям, эксплуатируемым в жестких экстремальных условиях. Сущность: термоэлектрический охлаждающий модуль (ТЭМО) содержит «холодную» и «горячую» подложки с размещенным между ними матричным блоком термоэлектрических элементов из множества полупроводниковых ветвей n- и p-типов проводимости попарно соединенных коммутационными шинами в последовательную электрическую цепь. Между «холодной» подложкой и «холодной» стороной матричного блока размещено теплопроводное эластичное средство соединения коммутационных шин «холодных» спаев термоэлементов с «холодной» подложкой. Между «горячей» подложкой и «горячей» стороной матричного блока размещено средство соединения коммутационных шин «горячих» спаев термоэлементов с «горячей» подложкой. ТЭМО снабжен силиконовыми праймерами, каждый из которых выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды и прикреплен меньшим ее основанием к свободной поверхности каждой коммутационной шины всех «холодных» спаев термоэлементов. ТЭМО снабжен адгезионным элементом для «холодной» подложки, выполненным в виде теплопроводной эластичной микрорельефной пленки, повторяющей микрорельеф внутренней поверхности «холодной» подложки, и закрепленным на ней. Средство соединения коммутационных шин «холодных» спаев термоэлементов с «холодной» подложкой выполнено в виде протектора с рельефным рисунком, размещенным на внутренней поверхности «холодной» подложки поверх его адгезионного элемента. Рельефный рисунок протектора выполнен в виде чередующихся выступов, имеющих форму усеченных четырехгранных пирамид. С каждым меньшим основанием пирамид протектора соединен силиконовый праймер на соответствующей коммутационной шине по холодной стороне матричного блока термоэлементов с возможностью образования внутри каждой пирамиды лунок для размещения в них соответствующих коммутационных шин. Средство соединения коммутационных шин «горячих» спаев термоэлементов с «горячей» подложкой выполнено в форме матрицы из адгезионных элементов, каждый из которых выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды из стойкого к окислению проводникового материала, например серебра, причем упомянутые пирамиды матрицы адгезионных элементов закреплены своими большими основаниями на внутренней поверхности «горячей» подложки попарно. Каждая пара упомянутых пирамид матрицы адгезионных элементов присоединена своими меньшими основаниями к соответствующей коммутационной шине «горячей» стороны матричного блока термоэлектрических элементов. Технический результат: повышение прочности, надежности, выносливости, обеспечение стабильности получения расчетных выходных параметров, высокий ресурс безаварийной работы при эксплуатации в жестких экстремальных условиях. 11 ил.

Термоэлектрический охлаждающий модуль, содержащий «холодную» и «горячую» подложки с размещенным между ними матричным блоком термоэлектрических элементов из множества полупроводниковых ветвей n- и p-типов проводимости, электрически попарно соединенных коммутационными шинами в последовательную электрическую цепь так, что коммутационные шины «холодных» спаев термоэлектрических элементов расположены с одной «холодной» стороны матричного блока термоэлектрических элементов, а коммутационные шины «горячих» спаев термоэлектрических элементов расположены с противоположной «горячей» стороны упомянутого матричного блока, при этом между «холодной» подложкой и «холодной» стороной упомянутого матричного блока размещено теплопроводное высокоэластичное средство соединения коммутационных шин «холодных» спаев термоэлектрических элементов с «холодной» подложкой, а между «горячей» подложкой и «горячей» стороной упомянутого матричного блока размещено средство соединения коммутационных шин «горячих» спаев термоэлектрических элементов с «горячей» подложкой, отличающийся тем, что он снабжен силиконовыми праймерами, каждый из которых выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды и прикреплен меньшим основанием упомянутой пирамиды к свободной поверхности каждой коммутационной шины всех «холодных» спаев термоэлектрических элементов по «холодной» стороне упомянутого матричного блока, а также снабжен адгезионным элементом для «холодной» подложки, выполненным в виде теплопроводной микрорельефной пленки, повторяющей микрорельеф внутренней поверхности «холодной» подложки, и закрепленным на ней, при этом теплопроводное высокоэластичное средство соединения коммутационных шин «холодных» спаев термоэлектрических элементов с «холодной» подложкой выполнено в виде протектора с рельефным рисунком, размещенным на внутренней поверхности «холодной» подложки поверх ее адгезионного элемента, причем рельефный рисунок упомянутого протектора выполнен в виде чередующихся выступов, имеющих форму усеченных четырехгранных пирамид, с каждым меньшим основанием которой соединен силиконовый праймер на соответствующей коммутационной шине «холодных» спаев термоэлектрических элементов с возможностью образования внутри каждой упомянутой пирамиды лунок для размещения в них коммутационных шин, а средство соединения коммутационных шин «горячих» спаев термоэлектрических элементов с «горячей» подложкой выполнено в форме матрицы из адгезионных элементов, каждый из которых выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды из стойкого к окислению проводникового материала, например серебра, причем упомянутые пирамиды закреплены своими большими основаниями на внутренней поверхности «горячей» подложки попарно, при этом каждая пара упомянутых пирамид присоединена своими меньшими основаниями к соответствующей коммутационной шине «горячей» стороны матричного блока термоэлектрических элементов.