ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2015 года по МПК H01L35/30 

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам, работа которых основана на эффектах Пельтье и Зеебека, и может найти широкое применение в нагревательных и охлаждающих устройствах, а также в оборудовании для кондиционирования воздуха, в измерительной и медицинской технике.

В настоящее время известны термоэлектрические модули с различными средствами компенсации термических напряжений.

Известен термоэлектрический модуль, в котором негативное влияние термоциклирования на его эксплуатационные характеристики частично компенсируется за счет использования специального теплоконтактного соединения между теплопроводами и коммутационными шинами (токопроводами), которые соединены с полупроводниковыми ветвями n- и p-типов проводимости. В качестве такого соединения использован компаунд высокотеплопроводной силиконовой резины. Толщина слоя компаунда выбирается в диапазоне от 5 до 30 мкм (RU 2117362 С1, опубликован 10.08.1998).

Данное конструктивное выполнение позволяет скомпенсировать термомеханические напряжения, вследствие чего в процессе термоциклирования обеспечивается свободная деформация коммутационной шины (токопровода) в слое компаунда. Однако известное техническое решение не позволяет существенно увеличить ресурс устройства из-за температурной деструкции компаунда при длительном термоциклировании в процессе эксплуатации изделия.

Наиболее близким к предложенному является термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, теплопроводы, между которыми расположена активная структура, и токовые выводы, причем теплопроводы соединены между собой по периметру клеящим компаундом, а токовые выводы припаяны к коммутационным токопроводам (JP 2007-184416, опуб. 19.07.2007).

В известном термоэлектрическом модуле существует риск повреждения модуля при приложении механической нагрузки к токовым выводам и ее передаче на элементы модуля.

Техническим результатом изобретения является снижение риска повреждения модуля за счет исключения передачи механической нагрузки от токовых выводов на элементы модуля.

Технический результат достигается тем, что термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, токовые выводы и теплопроводы, между которыми расположена активная структура, при этом теплопроводы соединены между собой по периметру и/или внутри активной структуры клеящим компаундом, а токовые выводы имеют зигзагообразную форму на концах, примыкающих к активной структуре, при этом один конец каждого токового вывода припаян к коммутационному токопроводу, а второй конец свободен для подключения в термоэлектрическую систему.

При этом клеящий компаунд имеет теплопроводность меньше теплопроводности полупроводникового материала.

Модуль может содержать расположенные между теплопроводами армирующие элементы в виде стержней, и/или уголков, и/или рамок, а также в виде гибких волокон, и/или нитей, и/или трубок.

При этом армирующие элементы могут быть механически прикреплены к обоим теплопроводам, или только к одному из теплопроводов, или свободны от прикрепления к теплопроводам.

Предложенное изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 показан вариант исполнения предложенного модуля с рамкой, находящегося в свободном состоянии, на фиг. 2 - то же, в собранном в термоэлектрической системе состоянии, на фиг. 3 - схема предложенного модуля с зигзагообразными токовыми выводами.

Термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы 1 p-типа и n-типа проводимости, коммутационные токопроводы 2, электрически соединяющие полупроводниковые элементы 1 между собой и создающие в совокупности с ними так называемую активную структуру термоэлектрического модуля, и металлические теплопроводы 3, между которыми расположена активная структура.

На внутренних поверхностях теплопроводов 3, касающихся активной структуры, находится электроизолирующий слой 4 с хорошей теплопроводностью, жестко сцепленный с теплопроводом 3 и допускающий при температурных изменениях перемещение электроизолирующего слоя 4 относительно активной структуры без их разрушения.

Теплопроводы 3 могут быть выполненными также из неэлектропроводных керамики, или стекла, или пластмассы. При этом дополнительный электроизолирующий слой не требуется.

Теплопроводы 3 соединены между собой по периметру и/или внутри активной структуры с помощью клеящего компаунда (на чертежах не показано), что обеспечивает единство конструкции модуля. Для увеличения прочности модуля могут использоваться армирующие элементы в виде стержней, уголков и других форм, включая замкнутые по периметру рамки, а также волокон и нитей. Стержни и уголки могут располагаться между рядами полупроводниковых элементов 1. Рамки и уголки могут располагаться по периметру теплопроводов 3. При этом армирующие элементы могут быть механически прикреплены (например, приклеены или припаяны) к обоим теплопроводам, либо только к одному из теплопроводов, либо свободны от прикрепления к теплопроводам. Кроме того, армирующие элементы могут соединять теплопроводы 3 друг с другом. Например, некоторые из армирующих элементов могут образовывать защелку, которая при закрывании механически соединяет теплопроводы 3 друг с другом (на чертежах не показано).

Для снижения тепловых утечек клеящий компаунд имеет теплопроводность меньше теплопроводности материала полупроводниковых элементов.

На фиг. 1 и 2 показан вариант модуля, в котором теплопроводы 3 помимо компаунда дополнительно скреплены приклеенной или припаянной к ним рамкой 5. Активная структура расположена между теплопроводами 3 модуля и рамкой 5 свободно и не прикреплена к ним. На фиг. 1 показано свободное состояние модуля, когда теплопроводы 3 не прижаты к теплоприемникам 6 термоэлектрической системы.

В рабочем положении термоэлектрической системы ее теплоприемники 6 прижимаются к теплопроводам 3, как показано на фиг. 2. В этом случае рамка 5 модуля или клеевой слой на рамке 5 сжимается, и имеющиеся внутри модуля зазоры между теплопроводами 3 и теплоприемниками 6 выбираются, что обеспечивает хороший тепловой контакт между ними.

При этом, в отличие от ситуации на фиг. 1, теплопроводы 3 и коммутационные токопроводы 2 модуля могут смещаться друг относительно друга, предохраняя полупроводниковые элементы 1 p-типа и n-типа проводимости от избыточных термических напряжений.

Токовые выводы 7 модуля имеют зигзагообразную форму, благодаря чему при приложении механической нагрузки к свободному концу токового вывода 7 она не передается на другой, ближайший к активной структуре, конец этого токового вывода 7, что исключает риск случайных повреждений активной структуры.

Как можно видеть на схематическом изображении одного из вариантов выполнения изобретения (см. фиг. 3), один конец электрического зигзагообразного вывода 7 припаян к коммутационному токопроводу 2, а второй - свободен для подключения в термоэлектрическую систему. При этом токовый вывод 2 огибает край рамки 6 и край перекрывающего элемента 8 рамки, принимая зигзагообразную форму.

Изобретение позволяет упростить и удешевить конструкцию модуля, отказавшись от пайки активной структуры к теплопроводам и от использования специального механического крепежа с тарированными упругими элементами. Отсутствие жесткого сцепления между активной структурой и теплопроводами, а также специальная зигзагообразная форма токовых выводов позволяет свести к возможному минимуму влияние термических механических напряжений в модуле и риск его механического повреждения.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам, работа которых основана на эффектах Пельтье и Зеебека, и может найти применение в нагревательных и охлаждающих устройствах, а также в оборудовании для кондиционирования воздуха, в измерительной и медицинской технике. Технический результат: снижение риска повреждения модуля при приложении механической нагрузки к токовым выводам. Термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, токовые выводы и теплопроводы, между которыми расположена активная структура. Теплопроводы соединены между собой по периметру и/или внутри активной структуры клеящим компаундом. Токовые выводы имеют зигзагообразную форму на концах, примыкающих к активной структуре. При этом один конец каждого токового вывода припаян к коммутационному токопроводу, а второй конец свободен для подключения в термоэлектрическую систему. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, токовые выводы и теплопроводы, между которыми расположена активная структура, причем теплопроводы соединены между собой по периметру и/или внутри активной структуры клеящим компаундом, а токовые выводы имеют зигзагообразную форму на концах, примыкающих к активной структуре, при этом один конец каждого токового вывода припаян к коммутационному токопроводу, а второй конец свободен для подключения в термоэлектрическую систему.

2. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что клеящий компаунд имеет теплопроводность меньше теплопроводности полупроводникового материала.

3. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что модуль содержит расположенные между теплопроводами армирующие элементы в виде стержней, и/или уголков, и/или рамок.

4. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что модуль содержит расположенные между теплопроводами армирующие элементы в виде гибких волокон, и/или нитей, и/или трубок.

5. Термоэлектрический модуль по п. 3 или 4, отличающийся тем, что армирующие элементы механически прикреплены к обоим теплопроводам, или только к одному из теплопроводов, или свободны от прикрепления к теплопроводам.