Термоэлектрический модуль Российский патент 2021 года по МПК H01L35/30 

Изобретение относится к области прямого преобразования энергии, а именно, электрической энергии в тепловую (нагрев или охлаждение в зависимости от направления постоянного электрического тока) с использованием эффекта Пельтье, или для преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием эффекта Зеебека.

Из патентной и технической литературы известен термоэлектрический модуль (далее - «ТЭМ»), 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, отделяющие по горячей и холодной стороне термоэлементы от теплопроводов и выполненные в виде керамических пластин в плане соответствующих размерам термоэлектрического модуля и выполненные из окиси алюминия (см. патент US 5168339, МПК H0IL 35/0, опубл. 01.12.1992 г.).

При подключении термоэлектрического модуля, вышеприведенной конструкции, к источнику постоянного тока происходит нагрев одной керамической пластины, горячая сторона ТЭМ и охлаждение другой холодной стороны ТЭМ, что позволяет за счет эффекта Пельтье использовать термоэлектрический модуль, либо устройство нагрева окружающей среды. При пропускании через термоэлектрический модуль теплового потока в направлении перпендикулярном керамическим пластинам он (модуль) работает в режиме генерации электрической энергии (эффект Зеебека).

Однако известное техническое решение не обладает требуемой эффективностью, т.к. не выполняется требование к конструкции модуля, согласно которому его теплопроводы должны обладать низким термическим сопротивлением, высокой механической прочностью и хорошими (менее 100 мГом) электроизоляционными свойствами. Одним из путей снижения термического сопротивления керамической пластины является уменьшение ее толщины, что ведет к снижению ее механической прочности ниже предельно допустимого значения (появление трещин, сколов) и одновременно падают электроизоляционные свойства из-за увеличения боковых утечек электрического тока по всему периметру керамической пластины.

Другим аналогом предложенной конструкции термоэлектрического модуля является известное техническое решение приведенное в патенте US 5409547, МПК-6, H0IL 35/28, опубл. 25.07.1995 г. Известный термоэлектрический модуль, содержащий термоэлементы, ветви которых «р»- 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, выполненными в виде слоя диэлектрического материала, образованного на внутреннем поверхностном слое каждого из теплопроводов, в качестве диэлектрического материала содержит слой силиконовой пасты, обладающей приемлемой теплопроводимостью, но слой силиконовой пасты, не обеспечивает второй важной функции теплопереходов горячего и холодного - электроизоляционной, т.е. не решается задача создания электрической изоляции между коммутационными пластинами и теплопроводами.

Известен так же термоэлектрический модуль (RU 2570429, H0IL 35/30, опубл. 20.10.2014 г.), содержащий термоэлементы, ветви которых ветви которых «р»- 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, выполненными в виде слоя диэлектрического материала расположенного на внутренней поверхности каждого из теплопроводов.

Недостатком этого решения является то, что слои электроизоляционного материала изготовлены из полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной, т.е. по существу это не диэлектрики, и их ширина запрещенной зоны сильно зависит от температуры (эксплуатации) и, следовательно, с повышением температуры они теряют свои изоляционные свойства. Другим фактором снижающим значимость предложенного в прототипе решения являются диффузионные, протекающие во времени процессы на границе между теплопроводом и слоем полупроводника, из которого изготовлена электрическая изоляция. Материалы, из которых изготовлены теплопроводы, например, алюминий, медь обладают повышенной скоростью диффузии носителей электрического заряда, поэтому электроизоляционный слой, выполненный из полупроводников, будет иметь ограниченный срок службы, чему в решающей степени будет способствовать и второй фактор, а именно, сравнительно небольшая толщина нанесенных на теплопровод полупроводников, как указано в прототипе - от 5 до 40 мкм.

Ближайшим техническим решением к предлагаемой конструкции известным из уровня техники является термоэлектрический модуль (US 2013081663 A1, 04.04.2013 /1/), 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, и выполненными в виде клеевого слоя диэлектрического материала с дистанционером, образованного на внутреннем поверхностном слое каждого из теплопроводов.

Недостатком известного решения является то, что дистанционер выполнен в виде, совокупности гранул керамического наполнителя клеевого состава на основе компаунда. Учитывая, что термоэлектрический модуль содержит обычно около сотни ветвей с технически допустимой разновысотностью, то и термоэлементы тоже обладают тем же недостатком, плюс разный наклон коммутационных шин относительно горизонтальной плоскости, т.е. теплопровода. При сборке модуля когда клеевой состав с гранулированным наполнителем-дистанционером сжимается и излишки клея выдавливаются расстояние между теплопроводами и коммутационными пластинами может уменьшиться до опасной величины, не обеспечивающей электрическое сопротивление клеевого состава с множественным гранулированным наполнителем, т.е. под влиянием усилия сжатия при сборке ТЭМ гранулы могут «расползаться» или вытесняться в местах выступов коммутационных шин.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, а так же повышение надежности, срока службы термоэлектрического модуля и упрощение технологии его изготовления.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и эффективности термоэлектрического модуля упрощения технологии изготовления электроизоляционных теплопереходов при одновременном повышении производительности изготовления модуля.

Технический результат достигается тем, что термоэлектрический модуль, содержащий ветви «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, выполненными в виде слоя диэлектрического материала, образованного на внутреннем слое каждого из теплопроводов. При этом электроизоляционные теплопереходы выполнены в виде диэлектрических дистанционеров, в плане равных длине и ширине термоэлектрического модуля с горячей и холодной стороны и покрытых со всех сторон клеящим составом, изготовленным на основе компаунда, причем дистанционер выполнен в виде сетки пропитанной с двух сторон клеевым составом и сетка изготовлена из термостойкой диэлектрической нити, например, кварцевой или металлической нити покрытой по всей поверхности слоем диэлектрика, например, окисью алюминия. Кроме того, дистанционер выполнен в виде штампованных из металлической фольги паралельных чередующихся П-образных полос, образующих общую конструкцию, и покрытых с двух сторон диэлектрическим материалом, например, оксидом металла, из которого изготовлен дистанционер. При этом клеевой состав изготовлен в виде смеси компаунда в количестве 60-70% и остальное состоит из мелкодисперсной слюдяной крошки.

Осуществление изобретения.

В термоэлектрическом модуле предложенной конструкции электроизоляционные горячий и холодный теплопереходы, т.е. расположенные с двух сторон термоэлементов, выполнены в виде диэлектрических дистанционеров, в плане равных по длине и ширине термоэлектрического модуля с горячей и холодной его стороны и покрытых со всех сторон (пропитанных) клеющим составом на основе компаунда. Предложено несколько вариантов изготовления дистанционера, которые определяются условиями эксплуатации термоэлектрического модуля, например, количеством термоциклов, требованиями к исходящему значению электрического сопротивления электроизоляционного теплоперехода, и его сроку службы с учетом различных факторов внешнего воздействия, например, вибрации, ударных и акустических нагрузок, различных неблагоприятных условий окружающей среды.

С учетом воздействия на термоэлектрический модуль наиболее неблагоприятных факторов или их суммарного влияния дистанционер выполнен в виде сетки пропитанной с двух сторон клеевым составом, причем сетка изготовлена из термостойкой диэлектрической нити, например, кварцевой или металлической нити покрытой слоем диэлектрика по всей поверхности, например, окисью алюминия. Кроме того, дистанционер выполнен в виде штампованных из металлической фольги параллельных чередующихся П-образных полос, образующих общую конструкцию покрытых с двух сторон диэлектрическим материалом, например, оксидом металла из которого изготовлен дистанционер, а клеящий состав может быть изготовлен в виде смеси компаунда в количестве 60-70% и остальное - из мелкодисперсной слюдяной крошки.

Термоэлектрический модуль предложенной конструкции поясняется чертежами Фиг. 1 и Фиг. 2, где 1 - ветвь термоэлемента «p»-типа проводимости, 2 - ветвь термоэлемента «n»-типа проводимости, 3 - коммутационная токопроводящая пластина, 4 - теплопровод, например, алюминиевый, «холодный», 5 - электроизоляционный теплопереход на клеевой основе, например, холодный, 6 - дистанционер электроизоляционного теплоперехода, 7 - выводная токовая шина термоэлектрического модуля, «минусовая», 8 - коммутационная токовая пластина «горячая», 9, 10 - дистанционер «горячего» электроизоляционного теплоперехода, например, проволочный с диэлектрическим покрытием, 11 - клеевой слой электроизоляционного теплоперехода, например, «горячий», 12 - теплопровод, например, «горячий», 13 - выводная шина термоэлектрического модуля «плюсовая», 14 - электрическая изоляция изогнутого П-образно проволочного дистанционера.

Термоэлектрический модуль предложенной конструкции имеет более высокие показатели по термоэлектрической эффективности (добротности), т.к. по сравнению с известным решением (прототип) не имеет разъемных контактов на пути теплового потока от горячей стороны к холодной, потому что электроизоляционный теплопереход (5) образует с теплопроводами (12, 4) единую конструкцию, а дистанционеры (6, 9, 10) автоматически обеспечивают оптимальную высоту (толщину) клеющего состава с точностью до долей микрона, и, следовательно, тепловое сопротивление электроизоляционного теплоперехода (5). В процессе измерений нескольких десятков термоэлектрических модулей предложенной конструкции были получены значения добротности на уровне 2.83-2.85 1/град, а по электрической изоляции 1⋅10⁸ Ом при температуре измерения +80°С.

При производственной сборке термоэлектрический модуль обеспечивает высокую производительность, т.к. по сравнению с известными решениями обладает большей технологичностью, например, не требуется операции шлифовки теплопроводов и изоляционных теплопереходов, отсутствие в последнем пор и посторонних включений обеспечивает повышенную надежность и срок службы в неблагоприятных внешних условиях, а также высокую адгезию электроизоляционного теплоперехода по отношению к теплопроводу (12, 4) и термоэлементам (1, 2).

Дополнительные сведения по дистанционерам электроизоляционных теплопереходов представлены на Фиг. 2, 3, 4, где показаны проволочный дистанционер изготовленный из гнутой П-образно металлической проволоки, например, из никеля, алюминия, хрома, и сплавов на их основе диаметром 0,5-1,2 мм, и с нанесенным на ее поверхность слоем диэлектрика (14), например, окисью алюминия, Фиг. 3 - штампованный из металлической фольги дистанционер, выполненный в виде чередующихся П-образных параллельных полос, образующих общую конструкцию и покрытых с двух сторон перпендикулярных тепловому потоку диэлектрическим материалом, например, окисью алюминия, или это может быть оксид металла, из которого изготовлен дистанционер, Фиг. 4 - сеточный дистанционер, изготовленный по тканой технологии из диэлектрической термостойкой нити, например, кварцевой.

Введение в клеевой состав, изготовленный, например, из компаунда такого ингредиента, как слюдяная крошка на чертежах не показано, т.к. он может быть введен в электроизоляционный теплопереход любой предложенной конструкции в зависимости от требований заказчика на термоэлектрический модуль. Экспериментально установлено, что введение в клеевой состав мелкодисперсной слюдяной крошки повышает его диэлектрические свойства на один-два порядка.

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 Зеебека. Сущность: термоэлектрический модуль содержит ветви «p»- и «n»-типа проводимости, коммутационные токопроводящие пластины, электрически и механически неподвижно соединенные с торцевыми поверхностями ветвей термоэлементов с образованием общей электрической цепи, электроизоляционные горячий и холодный теплопереходы, расположенные между коммутационными пластинами и внутренними сторонами соответствующих теплопроводов. Теплопереходы выполнены в виде клеевого слоя диэлектрического материала с дистанционером. Дистанционер выполнен в виде сетки, пропитанной с двух сторон клеевым составом, причем сетка изготовлена из термостойкой диэлектрической нити, например кварцевой, или металлической нити, покрытой по всей поверхности слоем диэлектрика, например, окисью алюминия. Дистанционер может быть выполнен в виде штампованных из металлической фольги параллельных чередующихся П-образных полос, образующих общую конструкцию и покрытых с двух сторон диэлектрическим материалом, например оксидом металла, из которого изготовлен дистанционер. Клеевой состав изготовлен в виде смеси компаунда в количестве 60-70% и наполнителя в виде мелкодисперсной слюдяной крошки. 4 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 клеевого слоя диэлектрического материала с дистанционером, образованного на внутреннем поверхностном слое каждого из теплопроводов, отличающийся тем, что дистанционер выполнен в виде сетки, пропитанной с двух сторон клеевым составом, причем сетка изготовлена из термостойкой диэлектрической нити, например кварцевой, или металлической нити, покрытой по всей поверхности слоем диэлектрика, либо дистанционер выполнен в виде штампованных из металлической фольги параллельных чередующихся П-образных полос, образующих общую конструкцию, покрытых с двух сторон диэлектрическим материалом.

2. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая нить является кварцевой нитью.

3. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что металлическая нить покрыта окисью алюминия.

4. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что параллельные чередующиеся П-образные полосы дистанционера покрыты оксидом металла, из которого изготовлен дистанционер.

5. Термоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что клеевой состав изготовлен в виде смеси компаунда в количестве 60-70%, а остальное состоит из наполнителя в виде мелкодисперсной слюдяной крошки.