Термоэлектрический модуль. Российский патент 2021 года по МПК H01L35/30 

Изобретение относится к области прямого преобразования энергии, а именно, электрической энергии в тепловую с использованием термоэлектрического эффекта Пельтье или наоборот тепловой энергии в электрическую с использованием эффекта Зеебека.

Известен термоэлектрический модуль, содержащий термоэлементы ветви, которых «p»- и «n»-типа проводимости выполнены из полупроводниковых термоэлектрических материалов, коммутационные токопроводящие пластины, электрически и механически неподвижно соединенные с торцевыми поверхностями ветвей термоэлементов с образованием общей электрической цепи, электроизоляционные теплопереходы, неподвижно расположенные между коммутационными пластинами и теплопроводом (патент US 5409547, HO1L 35/28, опубл. 25.04.1995).

В известном решении электроизоляционные теплопереходы выполнены в виде слоя силиконовой пасты, обладающей приемлемой теплопроводностью, но не позволяющей решить проблему электрической изоляции, потому что на поверхности теплопровода, обращенной к конструкции модуля, создается дополнительный электроизоляционный теплопереход в виде слоя окиси алюминия, контактирующего с коммутационными пластинами модуля. Такая конструкция теплоперехода обладает многослойностью, имеет обусловленное этим дополнительное термическое сопротивление, поэтому термоэлектрический модуль имеет заниженные энергетические характеристики, ограниченный срок службы из-за деградации во времени силиконовой пасты и неоправданно усложненный технологический процесс изготовления.

Дальнейшее развитие технологии и конструктивных решений при создании термоэлектрических модулей было направлено, в частности, на создание более совершенных электроизоляционных теплопереходов.

Наиболее близким по техническому и конструктивному исполнению к предлагаемому решению является термоэлектрический модуль (патент на полезную модель RU 33462, HO1L 35/02, опубл. 20.10.2003 г.), содержащий термоэлементы, ветви которых «p»- и «n»-типа проводимости выполнены из термоэлектрических материалов, коммутационные токопроводящие пластины, электрически и механически неподвижно соединены с торцевыми поверхностями ветвей термоэлементов с образованием общей электрической цепи, электроизоляционные теплопереходы, неподвижно расположенные между коммутационными пластинами и теплопроводами, выполнены в виде слоя окиси металла, образованного в поверхностном слое теплопровода, например, окиси алюминия, обращенном к коммутационным пластинам, методом микродугового оксидирования поверхности теплопровода с образованием α и γ фаз Al₂O₃.

Недостатком этого известного технического решения является значительная пористость слоя окиси алюминия и, следовательно, его большое термическое сопротивление по сравнению с компактной окисью алюминия, что значительно уменьшает положительный эффект от отсутствия разъемного контакта между теплопроводом и электроизоляционным теплопереходом. Кроме того, окись алюминия обладает гораздо меньшим коэффициентом термического расширения, чем материал теплопровода. В рассматриваемом случае алюминий, что создает биметаллический эффект вызывающий деформацию теплопровода, которая растет с увеличением температуры эксплуатации и линейных размеров термоэлектрического модуля в плане, а так же при возрастании толщины оксидного слоя, которую необходимо увеличивать при использовании термоэлектрических модулей в многокиловатных охлаждающих или электрогенерирующих устройствах, где общая площадь электрической изоляции (оксидного слоя) на электроизоляционных теплопереходах измеряется в квадратных метрах, что ведет к возрастанию боковых утечек тока по периметру изоляционного слоя.

Кроме того, в электрогенерирующих термоэлектрических преобразователях тепла в электричество, например, в газовых термогенераторах на воспламенительную свечу подается напряжение свыше 1000 Вольт и, несмотря на схемные защитные меры высокое напряжение при неблагоприятных условиях окружающей среды, например, повышенной влажности может через оксидный слой на теплопроводах термоэлектрических модулей (электроизоляционные теплопереходы) попасть в схему генерирования термоэлектрического модуля и вызвать нежелательные последствия, как технического характера, так и в плане обеспечения электробезопасности.

Раскрытие изобретения

Для устранения вышеперечисленных недостатков известного термоэлектрического модуля (прототипа) предлагается новое техническое решение, в котором противоположные стороны (наружные) горячего и холодного теплопроводов дополнительно снабжены горячим и холодным электроизоляционными теплопереходами и на все теплопереходы, расположенные с двух сторон теплопроводов, нанесен равномерно по всей поверхности слой диэлектрического материала пропитки, выполненного в виде механической смеси диэлектрической жидкости и мелкодисперсного твердого диэлектрического материала, выполненного в виде природного материала стеатита M_g3 [SiO₁₀] (ОН)₂, а в качестве диэлектрической жидкости для приготовления механической смеси с диэлектрическим материалом используется вещество, размер молекул которого существенно, например, на порядок (в 10 раз) меньше размеров пор в основном оксидном слое электроизоляционного теплоперехода, например, толуол, причем размер частиц мелкодисперсного твердого диэлектрического материала в механической смеси с диэлектрической жидкостью также значительно меньше на порядок (в 10 раз) размеров пор в диэлектрическом (оксидном) слое электроизоляционных теплопереходов, а горячий и холодный теплопроводы выполнены из алюминия, никеля, хрома, иттрия, и мелкодисперсный твердый диэлектрический материал, используемый как наполнитель, изготовлен в свою очередь в виде механической смеси стеатита и металлов молибдена, хрома, никеля, серебра в пропорции металла 8-10%, остальное - стеатит.

Пример осуществления предложенного изобретения: термоэлектрический модуль предложенной конструкции, поясняется чертежом (Фиг. 1), где 1 - ветвь «p»-типа проводимости одного из термоэлементов, 2 - ветвь «n»-типа проводимости этого же термоэлемента, 3 - коммутационная токопроводящая пластина, 4 - холодный электроизоляционный теплопереход, расположенный между коммутационными пластинами и внутренней стороной холодного теплопровода термоэлектрического модуля, 5 - холодный электроизоляционный теплопереход (дополнительный), расположенный на наружной стороне холодного теплопровода, 6 - холодный теплопровод, 7 -токовывод термоэлектрического модуля, например, «минусовой», 8 -горячий теплопровод, 9 и 10 - горячие электроизоляционные теплопереходы, расположенные между коммутационными пластинами и внутренней стороной горячего теплопровода, и с наружной стороны горячего теплопровода (дополнительный электроизоляционный теплопереход), соответственно, 11 - токовый вывод термоэлектрического модуля, например, «плюсовой».

В зависимости от порядка расположения ветвей крайних термоэлементов и схемы их дальнейшего соединения в модуле и направления тока (для модулей Пельтье) полярность токовых выводов может меняться на противоположный знак.

Термоэлектрический модуль, предложенный в настоящем изобретении конструкции, работает следующим образом. Термоэлементы модуля состоят из полупроводниковых ветвей «p»- (1) и «n»-типа (2) проводимости, соединенных между собой с помощью коммутационных токопроводящих пластин (3) в единую электрическую цепь, которая заканчивается токовыми выводами «минусовой» (7) и «плюсовой» (11) полярности, и выводы подключаются к источнику электропитания (на чертеже не показан), если модуль работает с использованием эффекта Пельтье (т.е. в режиме охладителя или нагревателя) либо токовые выводы (7, 11) подключаются к потребителю электрической энергии (на чертеже не показан) если термоэлектрический модуль работает в режиме преобразования тепловой энергии в электрическую, в этом случае с использованием эффекта Зеебека. Основу термоэлектрического модуля предложенной конструкции составляют теплопроводы горячий (8) и холодный (6) выполненные, например, из алюминия и отделенные от коммутационных теплопроводных пластин (3) с помощью холодного (4) и горячего (9) электроизоляционных, выполненных из окиси алюминия, теплопереходов. Кроме того, для более надежной защиты электрической цепи термоэлектрического модуля теплопроводы снабжены дополнительными наружными слоями электрической изоляции (5 - холодный теплопровод) и (10 - горячий теплопровод), таким образом горячий (8) и холодный (6) теплопроводы имеют двойную электрическую изоляцию (9, 10) и (4, 5) соответственно.

Двойной слой электрической изоляции на теплопроводах термоэлектрического модуля (ТЭМ) предложенной конструкции повышает его надежность при использовании ТЭМ в экстремальных условиях, например повышенной влажности, в условиях соляного тумана, ионизирующего излучения и других неблагоприятных условиях.

Электроизоляционные теплопереходы наносятся различными методами, наибольшее распространение получил метод микродугового оксидирования, при котором электроизоляционный теплопереход образуется из оксида металла Al₂O₃, из которого изготовлен теплопровод - в данном случае из алюминия. Но, несмотря на ряд положительных свойств изоляционных теплопереходов (4, 5, 9, 10), полученных как по вышеприведенной технологии, так и полученным по другим технологиям, например, динамическим напылением окиси алюминия на теплопровод, все они имеют общий недостаток, заключающийся в повышенной пористости оксидного слоя теплопровода (в данном случае Al₂O₃), выполняющего роль двухсторонних электроизоляционных теплопереходов (4, 5, 9, 10) холодного и горячего теплопроводов (6, 8). Для устранения этого недостатка, т.е. повышения теплопроводности и изоляционных свойств всех электроизоляционных теплопереходов (4, 5, 9, 10) на их поверхности, перед сборкой термоэлектрической батареи, равномерно нанесен дополнительный пропитывающий слой диэлектрического материала, выполненного в виде механической смеси диэлектрической жидкости и наполнителя в виде мелкодисперсного твердого диэлектрического материала, например, стеатита Mg₃ [SiO₁₀] (ОН)₂, его отличительной особенностью является пониженная сила трения мелкодисперсных частиц стеатита по отношению к оксидным слоям металлов, из которых изготовлен теплопровод, например, алюминий, никель, хром, иттрий. Рекомендуемый набор материалов теплопроводов сделан исходя из наиболее часто встречающихся неблагоприятных внешних факторов эксплуатации термоэлектрических модулей отмеченных выше, например, оксид иттрия и теплопровод из этого металла сохраняет свои физико-механические свойства в течение длительного времени эксплуатации в условиях воздействия высоких уровней нейтронного потока, и, следовательно, термоэлектрический модуль, ветви термоэлементов (1, 2) которого изготовлены из халькогенидов висмута и сурьмы «n»- и «p»-типа проводимости, может эксплуатироваться в схемах аварийного расхолаживания атомных реакторов малой мощности, где использование в конструкции термоэлектрического модуля такого материала, как иттрий, является экономически и технически оправданным.

Для осуществления операции пропитки теплопроводы (до сборки ТЭМ), снабженные с двух сторон электроизоляционными теплопереходами помещают в перчаточный вакуумный бокс с инертной атмосферой, где их нагревают в динамическом вакууме до 1⋅10^-3 мм рт.ст. до повышенной температуры, для алюминиевых теплопроводов и теплопроводов из материалов, указанных в заявке, составляющей 240÷280°С, обеспечивающей полное открытие пор в электроизоляционном теплопереходе, например, из окиси алюминия и окислов других металлов, указанных в изобретении, и после выдержки в течение одного-полутора часов запускают в перчаточный бокс инертный газ, предпочтительно гелий, под избыточным давлением например, 0,5 ати, затем охлаждают теплопроводы до 20-40°С и наносят (не вынимая из перчаточного бокса) любым удобным способом, например, кисточкой пропитывающий слой в виде механической смеси диэлектрической жидкости с твердотельным механическим наполнителем, выполненным в виде мелкодисперсного стеатита или стеатита с добавкой металлов молибдена, хрома, никеля, серебра. Затем производят повторный нагрев теплопроводов с двуслойными электроизоляционными теплопереходами до температуры указанной выше в динамическом вакууме до полного удаления диэлектрической жидкости, в качестве которой используется толуол, что определяется степенью его удаления по стабилизации разряжения в инертной атмосфере бокса на уровне 1⋅10^-2-10^-3 мм рт.ст. В результате такой операции удается удалить из пор в оксидном слое электроизоляционных теплопереходов молекулы воды и адсорбированного кислорода и заполнить поры твердотельным наполнителем в виде мелкодисперсного диэлектрика, выполненного из стеатита или стеатита с добавкой мелкодисперсного молибдена (8-10%), или хрома, или никеля, или серебра.

Для экспериментальной проверки изоляционных свойств предложенного в изобретении двойного электроизоляционного теплоперехода на основе окиси алюминия с пропиткой механической смесью диэлектрической жидкости и стеатита с добавкой 8-10% молибдена были выполнены измерения зависимости электрической проводимости (б) от температуры в форсажном режиме до 500°С. Как видно из полученной зависимости (см. Фиг. 2) значения электрической изоляции соответствуют самым высоким техническим требованиям предъявляемым к электроизоляционным теплопереходам в термоэлектрических модулях, работающих с использованием эффектов Пельтье или Зебека. На Фиг. 3 и Фиг. 4 представлены результаты микроскопических исследований, где представлены электроизоляционный теплопереход, выполненный в поверхностном слое алюминиевого теплопровода и состоящий из окиси алюминия (увеличение × 270) до пропитки и после пропитки его механической смесью толуола и стеатита соответственно. На приведенных фотографиях хорошо виден положительный эффект достигнутый в предложенном в изобретении техническом решении, т.к. поры в окиси алюминия практически отсутствуют (см. фото на Фиг. 4).

Следует отметить, что в результате пропитки слоя окиси алюминия механической смесью на основе жидкого диэлектрика и твердотельного мелкодисперсного наполнителя с последующим технологическим нагревом полученного таким образом электроизоляционного теплоперехода значительно улучшаются его электроизоляционные (см. Фиг. 2) и механические свойства. Последнее получило подтверждение в виде успешного завершения испытаний термоэлектрических модулей на термоциклирование (нагрев и охлаждение), в процессе которых модули выдержали без деградации свойств несколько десятков тысяч термоциклов.

Аналогичный положительный эффект получен при испытании термоэлектрических модулей, теплопроводы которых изготовлены из других металлов, например, никеля, хрома, иттрия, а слой изоляции из окислов этих металлов (электроизоляционный теплопереход), с последующей пропиткой предложенным в изобретении составом и технологии пропитки, основные показатели которой даны в описании изобретения.

Металлографические исследования электроизоляционных теплопереходов на основе окислов хрома, никеля, иттрия и их изоляционных свойств принципиально не отличаются от данных приведенных по окиси алюминия на Фиг. 3 и Фиг. 4, т.к. окислы имеют приблизительно одинаковую температуру плавления, физико-химические свойства и механические свойства.

Термоэлектрические модули предложенной в изобретении конструкции могут служить с успехом для преобразования тепла в электричество, используется в этом случае эффект Зеебека, удельная мощность генерируется в нагрузку и составляет 0,2÷0,3 Вт/см² в зависимости от перепада температуры на термоэлементах при сроке службы до 25 лет. Они имеют большой рынок использования, как источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов, источники бесперебойного электропитания в автоматизированных системах, в устройствах с использованием геотермального тепла и ряда других областях применения, как на земле, так и в космосе с солнечным и радиоизотопным нагревом.

Анализ, проведенный заявителем по известному ему уровню техники, показал, что предлагаемое изобретение обладает новизной и отвечает в отношении совокупности его существенных признаков требованию условия «изобретательский уровень».

Изобретение относится к области прямого преобразования энергии с использованием эффекта Пельтье или эффекта Зеебека. Сущность: термоэлектрический модуль содержит термоэлементы с ветвями p- и n-типа, коммутационные токопроводящие пластины, электрически и механически неподвижно соединенные с торцевыми поверхностями ветвей термоэлементов с образованием общей электрической цепи, электроизоляционные горячий и холодный теплопереходы, неподвижно расположенные между коммутационными пластинами и внутренними сторонами соответствующих теплопроводов и на противоположных наружных сторонах теплопроводов. Теплопереходы выполнены в виде слоя окиси металла, образованного на внутреннем поверхностном слое каждого из теплопроводов. Теплопереходы выполнены в виде слоев окиси металла теплопроводов. На все электроизоляционные теплопереходы, расположенные с двух сторон теплопроводов, нанесен равномерно по всей поверхности пропитывающий слой диэлектрического материала, выполненного в виде двухкомпонентной механической смеси диэлектрической жидкости и наполнителя, изготовленного из мелкодисперсного твердого диэлектрического материала. В качестве наполнителя используется стеатит состава Mg₃ [SiO₁₀] (ОН)₂. Наполнитель может содержать механическую смесь стеатита с металлами в пропорции по весу 8-10% металла, остальное - стеатит. В качестве диэлектрической жидкости для изготовления многокомпонентной механической смеси с наполнителем используется толуол. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Термоэлектрический модуль, содержащий термоэлементы, ветви которых p- и n-типа проводимости выполнены из полупроводниковых термоэлектрических материалов, коммутационные токопроводящие пластины, электрически и механически неподвижно соединенные с торцевыми поверхностями ветвей термоэлементов с образованием общей электрической цепи, электроизоляционные горячий и холодный теплопереходы, неподвижно расположенные между коммутационными пластинами и внутренними сторонами соответствующих теплопроводов, выполненные в виде слоя окиси металла, образованного во внутреннем поверхностном слое каждого из теплопроводов, отличающийся тем, что противоположные стороны (наружные) горячего и холодного теплопроводов дополнительно снабжены горячим и холодным электроизоляционными теплопереходами, выполненными в виде слоев окиси металла теплопроводов, и на все электроизоляционные теплопереходы, расположенные с двух сторон теплопроводов, нанесен равномерно по всей поверхности пропитывающий слой диэлектрического материала (пропитки), выполненного, по крайней мере, в виде многокомпонентной механической смеси диэлектрической жидкости и твердотельного наполнителя, изготовленного из мелкодисперсного диэлектрического материала, в качестве которого используется стеатит следующего состава: Mg₃ [SiO₁₀] (ОН)₂.

2. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что мелкодисперсный твердый диэлектрический наполнитель для пропитывающего материала изготовлен в виде механической смеси стеатита с порошкообразными мелкодисперсными металлами в пропорции по весу 8-10% металла, остальное - стеатит.

3. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрической жидкости для приготовления многокомпонентной механической смеси пропитки с наполнителем используется толуол.

4. Термоэлектрический модуль по п. 2, отличающийся тем, что размер частиц мелкодисперсного твердого диэлектрического материала-наполнителя в механической смеси с диэлектрической жидкостью меньше размеров пор в оксидных слоях электроизоляционных теплопереходов, которыми снабжены горячий и холодный теплопроводы с двух сторон.

5. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что горячий и холодный теплопроводы выполнены из алюминия, никеля, хрома, иттрия.

6. Термоэлектрический модуль по п. 2, отличающийся тем, что в механической смеси металла с мелкодисперсным стеатитом, используется, например, мелкодисперсный молибден, хром, никель, серебро.

7. Термоэлектрический модуль по п. 3, отличающийся тем, что в механической смеси толуола и наполнителей, например стеатита, а также стеатита с металлами, твердый и жидкий ингредиенты многокомпонентной смеси взяты в одинаковой весовой пропорции.

8. Термоэлектрический модуль по п. 3, отличающийся тем, что размер молекул в диэлектрической жидкости существенно, например, на порядок меньше пор в оксидном слое электроизоляционного теплоперехода.