ПРОСТРАНСТВЕННО ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H01L35/28 H01L35/34 

Описание патента на изобретение RU2611562C1

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к области создания термоэлектрических (модулей) преобразователей для прямого и обратного преобразования тепловой и электрической энергии (термоэлектрические генераторы (эффект Зеебека), термоэлектрические охладители (эффект Пельтье)).

Термоэлектрические преобразователи представляют собой совокупность последовательно соединенных в чередующуюся цепь термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам p-типа проводимости, переход между которыми осуществляется на противоположных плоскостях диэлектрических пластин. Проводники n- и p-типов изготавливаются в виде «столбиков», пространственно объединяющих две параллельные пластины (зоны) в единое устройство. Количество «столбиков» может достигать несколько сотен пар, при этом стандартное расстояние между пластинами (зонами теплообмена) 2-3 мм, удалить на большее расстояние пластины (зоны) теплообмена друг от друга удается только в единичных вариантах при значительном удорожании технологического процесса и снижении надежности его работы.

Известен термоэлектрический модуль /Патент РФ на полезную модель № 136640, H01L 35/00, 2013/, включающий в себя полупроводниковые элементы с проводимостями р- и n-типов, соединенные между собой металлическими шинами с высокой электропроводимостью в единую электрическую цепь и размещенные между подложками, отличающийся тем, что все горячие спаи соединены с подложками, а все холодные спаи, соединенные металлическими шинами с высокой электропроводностью, разнесены, при этом длина каждого металлического проводника обеспечивает возможность разнесения этих спаев на заданное расстояние.

Известен термоэлектрический модуль /Патент РФ № 2545317, H01L 35/30, 2015 г./, 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. 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

Ближайшим аналогом является термоэлектрический модуль /патент РФ 2325731, H01L 35/28, H01L 35/34, 2008 г./, содержащий полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов проводимости, соединенные в единую электрическую цепь последовательно в чередующемся порядке таким образом, что при прохождении по цепи контакты от термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам р-типа проводимости расположены на одной грани модуля, а контакты от термоэлементов р-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости расположены на противоположной грани модуля, каждая из указанных граней имеет тепловой контакт и механически связана с диэлектрической пластинкой, на одной из которых установлены токовводы модуля, соединенные с цепью термоэлементов, термоэлементы покрыты слоем электрически прочного диэлектрика, пространство между термоэлементами заполнено клеящим материалом, а на концах цепи термоэлементов установлены два диэлектрических элемента, две грани каждого из которых имеют металлическое покрытие, соединенное с одним из токовводов модуля и с одним из крайних в цепи термоэлементов. Диэлектрическая пластина, на которой установлены токовводы, имеет большие размеры и выступает за габариты диэлектрической пластины без токовводов со стороны токовводов.

Известен способ изготовления модулей Пельтье /патент РФ 2433506, H01L 35/08, H01L 35/34, 2011/ с расположенными между двумя подложками несколькими элементами Пельтье, которые при изготовлении соединяют на токоподводящей стороне посредством спекаемого слоя или приваривания спеканием с контактной поверхностью. Причем изготовление элементов Пельтье и приваривание спеканием осуществляют в ходе совместной операции с использованием маски, содержащей множество отверстий. Маску наносят соответственно на подготовленную керамическую подложку с контактными поверхностями таким образом, что каждое отверстие находится над контактной поверхностью. Отверстия заполняют материалом для изготовления элементов Пельтье, который затем путем спекания и приложения давления превращают в элементы Пельтье. При этом отверстия заполняют материалом для изготовления элементов Пельтье в виде порошковой смеси. Спекание и приваривание спеканием осуществляют посредством искроплазменного способа спекания при приложении давления спекания.

Известен способ изготовления термоэлектрического элемента /патент РФ 2475889, H01L 35/08, H01L 35/34, 2013/, имеющего термопары, содержащие полупроводник n-типа и полупроводник р-типа. Оба полупроводника приваривают к электропроводному контактному материалу. Полупроводники n-типа и полупроводники p-типа термопар приваривают к контактному материалу в ходе отдельных процессов сварки. Причем одновременно сваривают все полупроводники n-типа одной стороны термоэлектрического элемента и/или все полупроводники p-типа одной стороны термоэлектрического элемента.

Ближайшим аналогом является способ изготовления термоэлементов /Пат. Японии 63020881, G04C 10/00; H01L 35/16; H01L 35/32; H01L 35/34, 1988 г.), согласно которому эпоксидной смолой склеивают множество полупроводниковых пластин n- и р-типа проводимости в чередующемся порядке, эффективно без сборки несколько тысяч мельчайших элементов соединены по одному, поочередно ламинированием табличного n-типа и p-тип термоэлектрических материалов и теплоизоляционных материалов в порядке тепла изоляционного материала с получением траншей, секции которых заполнены эпоксидной смолой. Смежные разделы же термоэлектрического материала на нижних концах удаляются с помощью полировки, формируя таким образом термоэлементы, в которых n-тип и p-тип термоэлементов расположены постоянно на теплоизоляционном материале. Полученный блок разрезают в перпендикулярном слоям направлении на пластины, которые склеивают эпоксидной смолой в матрицу, содержащую несколько тысяч термоэлементов.

Недостатком известных способов является низкая производительность, сложность технологического процесса, низкая эффективность термоэлектрического модуля из-за высокого коэффициента теплопроводности проводников n- и p-типов и взаимного влияния пластин, узкий спектр применения, так как использование термоэлектрических преобразователей возможно в условиях, подразумевающих любые механические воздействия – удары, падения, тряску. Кроме этого, источники или потребители тепловой энергии, в основном, пространственно удалены друг от друга и требуются дополнительные конструктивные решения для перемещения этой энергии к или от теплообменных пластин преобразователя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание термоэлектрического модуля не дорогого в изготовлении, с возможностью изменения пространственной ориентации зон теплообмена, с возможностью значительного увеличения расстояния между зонами теплообмена.

Поставленная задача решается тем, что пространственно ориентированный термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов проводимости, соединенные в единую электрическую цепь последовательно в чередующемся порядке таким образом, что при прохождении по цепи контакты от термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам р-типа проводимости расположены на одной стороне диэлектрической пластины, а контакты от термоэлементов р-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости расположены на другой стороне пластины, полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов методом сеткотрафаретной печати нанесены в углубления, образованные в барьерных дорожках, между соединительными для одноименных элементов и коммутирующими для разноименных элементов дорожками, которые предварительно нанесены на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления пространственно ориентированного термоэлектрического модуля, включающем закрепление полупроводниковых термоэлементов n- и p-типов проводимости на диэлектрическую подложку, на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати предварительно наносят соединительные для одноименных элементов и коммутирующие для разноименных элементов дорожки пастой с низким удельным сопротивлением, затем наносят барьерные дорожки с помощью диэлектрической пасты так, чтобы образовались углубления (ячейки) между соединительными и коммутирующими дорожками, а затем в углубления (ячейки) последовательно аналогичным способом наносят полупроводниковые дорожки пастой, изготовленной на основе полупроводников n-типа и p-типа, которые затем подвергают предварительной сушке для удаления органического связующего, а затем процессу спекания под давлением.

Общий вид термоэлектрического модуля показан на Фиг.1.

Термоэлектрический модуль состоит из диэлектрической подложки 1, в качестве которой использовался листовой стеклотекстолит электротехнический (ГОСТ 12652-74) марки СТЭФ-1 (также могут применяться другие изоляционные материалы, такие как керамика, полиэтилентерефталат (лавсан), полиамид, металл с диэлектрическим покрытием и т.д.). На диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати нанесены соединительные 2 и коммутирующие дорожки 3 с образованием углублений 5 (ячеек) между соединительными и коммутирующими дорожками, барьерные дорожки 4, в углубления (ячейки) наносят полупроводниковые дорожки 6 n-типа проводимости и p-типа проводимости. К первой и последней соединительным дорожкам приварены или припаяны токоведущие провода 7, при этом образуется цепь последовательно соединенных термоэлементов, причем переход термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам p-типа проводимости происходит на одной стороне плоскости, а переход термоэлементов p-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости происходит на другой стороне плоскости. Между собой одноименные элементы соединены соединительными дорожками 2 внутри плоскости, что позволяет разнести зоны теплообмена на значительное расстояние и/или изготовить термоэлектрический модуль практически любой геометрической формы.

Варианты изготовления термоэлектрических модулей показаны на Фиг.2: а – в виде полосы - а, когда источники теплоты и холода имеют большие размеры и находятся на одинаковом расстоянии; в – в виде трапеции - в, когда габаритные размеры источника теплоты и холода имеют разные размеры; с – в виде круга - с, для применения в системах, где перемещение источников тепла и/или холода осуществляется по трубопроводам. Пространственную ориентацию термоэлектрического модуля можно менять в широком диапазоне, в зависимости от расположения источников тепла и холода. Термоэлектрические модули путем параллельного и/или последовательного подключения можно собирать в термоэлектрическую батарею (матрицу), для этого их покрывают тонким слоем электрически прочного диэлектрика любым известным методом, в том числе и с помощью сеткотрафаретной печати, затем для увеличения коэффициента теплопередачи металлизируют зоны теплообмена. После этого термоэлектрические модули могут собираться в специальные формы (например, в виде «звездочки») или склеиваться в виде различных сэндвичей.

Способ изготовления пространственно ориентированного термоэлектрического модуля осуществляется следующим образом.

В одной плоскости с помощью толстопленочной технологии (методом сеткотрафаретной печати), включающей диэлектрическую подложку, на которую методом сеткотрафаретной печати наносят соединительные 2 и коммутирующие дорожки 3 пастой ПТСП-Д-2 (ТУ6365-004-59839838-2003) с низким удельным сопротивлением на основе меди или серебра с последующим отверждением при температуре 175°С в течение 20 мин в конвейерной печи марки ПЭК-8. Затем наносят барьерные дорожки 4 диэлектрической пастой ПДЗП (ТУ6365-007- 59839838-2004) с последующим отверждением при температуре 180°С в течение 30 мин в конвейерной печи марки ПЭК-8 так, чтобы образовались углубления (ячейки) 5 между соединительными и коммутирующими дорожками (для каждого типа диэлектрической подложки подбирается свой тип паст, процесс термообработки которой осуществляется в соответствие с техническим регламентом на данный вид паст). В углубления (ячейки) последовательно аналогичным способом наносят полупроводниковые дорожки 6 пастой, изготовленной на основе полупроводников n-типа и p-типа, которые подвергаются предварительной сушке в конвейерной печи с инфракрасным излучением при температуре 130°С в течение 15 мин для удаления органического связующего, а затем процессу спекания под давлением. Для этого заготовку помещают в нагретую до температуры 180°С пресс-форму и выдерживают в течение 5 мин под давлением 2,5 т/см2. Полупроводниковая паста готовилась из порошков теллурита висмута n-типа и p-типа в барабанной мельнице (также могут использоваться порошки других термоэлектрических материалов) путем добавления от 25 до 30 % органического связующего на основе ланолина. К первой и последней соединительным дорожкам приваривают или припаивают токоведущие провода, при этом образуется цепь последовательно соединенных термоэлементов, причем переход термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам p-типа проводимости происходит на одной стороне плоскости, а переход термоэлементов p-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости происходит на другой стороне плоскости. Между собой одноименные элементы соединяются соединительными дорожками внутри плоскости, что позволяет разнести зоны теплообмена на значительное расстояние и/или изготовить термоэлектрический модуль практически любой геометрической формы.

Пространственно ориентированный термоэлектрический модуль и способ его изготовления имеют ряд преимуществ:

- практически весь технологический процесс основан на толстопленочной технологии (метод сеткотрафаретной печати), что существенно позволяет упростить и удешевить процесс изготовления;

- данный способ изготовления позволяет не только увеличить производительность, но и организовать серийное производство при минимальных затратах;

- данный способ позволяет разнести зоны теплообмена на расстояние, когда не происходит взаимное влияние, а значит увеличить эффективность работы;

- так как пространственная ориентация элементов позволяет создавать модули практически любой геометрической формы, соответственно практически не ограниченно увеличивается спектр применения.

Похожие патенты RU2611562C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА 2015
  • Штерн Юрий Исаакович
  • Громов Дмитрий Геннадьевич
  • Рогачев Максим Сергеевич
  • Штерн Максим Юрьевич
  • Дубков Сергей Владимирович
RU2601243C1
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ 2022
  • Штерн Максим Юрьевич
  • Штерн Юрий Исаакович
  • Шерченков Алексей Анатольевич
  • Рогачев Максим Сергеевич
  • Пепеляев Дмитрий Валерьевич
RU2800055C1
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ 2014
  • Санеев Сергей Венедиктович
  • Башков Валерий Михайлович
  • Осипков Алексей Сергеевич
  • Додонов Александр Игоревич
  • Миронова Анна Олеговна
RU2570429C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА 2013
  • Терехов Анатолий Константинович
  • Радин Сергей Алексеевич
RU2521146C1
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2006
  • Шматок Юрий Иванович
RU2325731C1
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАЖДАЮЩИЙ МОДУЛЬ 2013
  • Иванов Александр Сергеевич
  • Варламов Сергей Анатольевич
  • Лебедев Юрий Павлович
  • Чуйко Артем Георгиевич
RU2534445C1
Термоэлектрический модуль 2020
  • Тереков Анатолий Яковлевич
  • Мешков Виталий Владимирович
  • Абаев Яков
  • Губаев Наиль Ильдарович
RU2752307C1
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ 2016
  • Эйдельман Евгений Давидович
  • Шахов Фёдор Михайлович
  • Вуль Александр Яковлевич
RU2628676C1
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ 2007
  • Штерн Юрий Исаакович
  • Кожевников Яков Серафимович
  • Никаноров Михаил Дмитриевич
  • Крикун Евгений Александрович
  • Штерн Максим Юрьевич
RU2364803C2
Термоэлектрический модуль. 2020
  • Тереков Анатолий Яковлевич
  • Викторова Елена Владиславовна
RU2740589C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 611 562 C1

Реферат патента 2017 года ПРОСТРАНСТВЕННО ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области создания термоэлектрических модулей для прямого и обратного преобразования тепловой и электрической энергии. Сущность: на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати наносят соединительные дорожки для одноименных элементов и коммутирующие дорожки для разноименных элементов. Затем наносят барьерные дорожки с помощью диэлектрической пасты так, чтобы образовались углубления (ячейки) между соединительными и коммутирующими дорожками. В углубления (ячейки) последовательно аналогичным способом наносят полупроводниковые дорожки пастой, изготовленной на основе полупроводников n-типа и p-типа, которые затем подвергают предварительной сушке для удаления органического связующего и процессу спекания под давлением. Технический результат: упрощение процесса изготовления, повышение производительности, снижение затрат. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 611 562 C1

1. Пространственно ориентированный термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов проводимости, соединенные в единую электрическую цепь последовательно в чередующемся порядке таким образом, что при прохождении по цепи контакты от термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам р-типа проводимости расположены на одной стороне диэлектрической пластины, а контакты от термоэлементов р-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости расположены на другой стороне пластины, отличающийся тем, что полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов методом сеткотрафаретной печати нанесены в углубления, образованные в барьерных дорожках, между соединительными для одноименных элементов и коммутирующими для разноименных элементов дорожками, которые предварительно нанесены на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати.

2. Способ изготовления пространственно ориентированного термоэлектрического модуля, включающий закрепление полупроводниковых термоэлементов n- и p-типов проводимости на диэлектрическую подложку, отличающийся тем, что на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати предварительно наносят соединительные для одноименных элементов и коммутирующие для разноименных элементов дорожки пастой с низким удельным сопротивлением, затем наносят барьерные дорожки с помощью диэлектрической пасты так, чтобы образовались углубления (ячейки) между соединительными и коммутирующими дорожками, а затем в углубления (ячейки) последовательно аналогичным способом наносят полупроводниковые дорожки пастой, изготовленной на основе полупроводников n-типа и p-типа, которые затем подвергают предварительной сушке для удаления органического связующего, а затем процессу спекания под давлением.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2611562C1

ТЕРМОГЕНЕРАТОР 1990
  • Фридрих-Карл Миговски
RU2113035C1
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1998
  • Косарев А.В.
RU2131156C1
Термоэлемент 1973
  • Дашевский З.М.
  • Келлер Я.А.
  • Коломоец Н.В.
  • Сгибнев И.В.
SU455702A1
Способ изготовления пленочной термобатареи 1989
  • Кромонов Леонтий Ильич
SU1621101A1
US 5286304, 15.02.1994
US 20150155462 А1, 04.06.2015
US 6872879 В1 ;29.03.2005
WO 2011050203 A1, 28.04.2011.

RU 2 611 562 C1

Авторы

Шелехов Игорь Юрьевич

Смирнов Евгений Игоревич

Кашко Константин Петрович

Шелехова Ирина Валентиновна

Даты

2017-02-28Публикация

2015-12-14Подача