Термоэлектрический холодильник Советский патент 1982 года по МПК F25B21/02 

Изобретение относится к холодильной технике и предназначено преимущественно для охлаждения приемников ИК-излучения и микроэлектронных схем, а также стабилизации температуры на уровне ниже 200 К.

Известны термоэлектрические холо дильники с ветвями р и И типа, попарно соединенными холодными спаями посредством гибкой связи, при этом горячие спаи соединены электрически последовательно с помощью коммутационных элементов и расположены в одной плоскости 1J.

Недостаток данного холодильника заключается в малой механической прочности, вследствие невозможности работы при низких температурах.

При изготовлении холодильников на низкие температуры в низкотемпературных каскадах применяют термоэлементы, в которых в качестве и ветви используют сплавы висмут-сурь-ма, а р-ветвь изготовляют из теллуридов висмута и сурьмы. Свойства этих термоэлектрических материалов различаются по зависимости электропроводности и (Т), термоэлектродвижущей силы о(Т) и теплопроводности ае(Т) от температуры, а также различны у- них температурные коэффициенты линейного расширения. Известный холодильник, изготовляемый обычным путем, при каскадировании имеет пониженную механическую прочность из-за термических напряжений, возникающих в местах соединения каскадов, так как расчет сечения термоэлементов берется на среднюю по термоэлементу температуру. В ре ультате в нем имеет место несогласованность геометрии ветвей по высоте, ухудшенная теплопроводность в направлении,перпендикулярном электрическому току, в полупроводниковых ветвях холодильника.

Для -получения большего пзрепада температур (ДТ) используют, многокаскадные конструкции, где отвод от

20 вышестоящего каскада на нижестоящий КсЮкад осуществляется через торцы элементов.

Известно, что ниже 200 К испо.пьзование м -ветвей из BiSb дает больший 25 эффект, чем из В1,,Тез.Но в полной мере использовать BiSb в паре с р-ветвью из теллурида висмута не представляется возможным из-за различия температурных коэффициентовлинейного расширения и и р-материалов. При воз.никновении перепада темпе ратур на термопаре механические напpяжe ия, возникающие из-за различи температурных коэффициентов линейно расширения, приводит к деформации ветвей термопары и к разрушению П-ветвей из BiSb. Цель изобретения - повьлиение хол дильного ресурса и механической прочности. Указанная цель достигается тем, что в известном термоэлектрическом холодильнике с Ветвями р и vr типа, попарно соединенными холодильными спаями посредством гибкой электропроводной связи,, при этом горячие спаи соединены электрически последо вательно с помощью коммутационных элементов и расположены в одной пло кости, одноименные ветви жестко сое динены между собой боковыми поверх-г ностями через теплопроводный диэлек рик, сечение каждой из ветвей переменно по высоте и в разноименных ветвях различно, а холодные спаи ветвей, образующих ступени, смещены по экспоненте. На фиг.1 изображено соединение п экспоненте боковыми поверхностями ветвей р; на фиг.2 - соединение по экспоненте боковыми поверхностями ветвей п на фиг.З - соединение горячих спаев ветвей р и И типа с помощью коммутационных элементов. Холодильник содержит полупроводниковые ветви 1, 2 р и и типа соответственно, соединенные гибкой связ 3 и коммутационными элементами 4. ВетБи 1 имеют горячие спаи 5, холод ные спаи б, ветви 2 имеют холодные спаи 7 и горячие спаи 8. К горячим спаям 5 и 8 через теплопереход 9 из окиси бериллия присоединены радиато ры 10 и 11 соответственно. Холодильник работает следующим образом. При подводе электрического тока J к коммутационным элементам 4 и в процессе его последовательного прохождения через ветви р и и типа на горячих спаях 5 и 8 выделяется тепл которое отводится радиаторами 10 и и. Холодные спаи 6 и 7 охлаждаются. . Предлагаемый термоэлектрический холодильник позволяет улучшить добротность Z на 10-20% за счет согласования сечения ветвей термопар/ имеющих различные температурные зависимости электропроводности, термоэлектродвижущие силы, теплопроводности; полностью ликвидировать механические напряжения при большом перепаде- температур из-за различного термического коэффициента расширения И и р типа материалов вследствие скольжения сложных ветвей относительно друг друга, что предохраняет конструкцию от разрушения и увеличивает надежность работы, а также сэкономить дорогостоящий термоэлектрический материал тем в большей степени, чем больше число ступеней в нем (50-80%). Формула изобретения 1.Термоэлектрический холодиль- . ник с ветвями р и и типа, попарно соединенными холодными спаями посредством гибкой электропроводной связи, при этом горячие спаи соединены электрически последовательно с помощью коммутационных элементов и расположены в одной плоскости,о тличающийс я тем, что, с целью повышения холодильного ресурса и механической прочности, одноименные ветви жестко соединены между собой боковыми поверхностями через теплопроводный диэлектр ик, а сечение каждой из ветвей переменно по высоте и в разноименных ветвях различно. 2,Холодильник по п. 1, о т л ич ающийся тем, что холодные спаи ветвей, образующих ступени, смещены по экспоненте. Источники, информации, принятые во внимание прИ экспертизе 1.Патент США № 299 1 627,кл.62-3, опублик. 1961.

Фиг.1

2

п

XANXN О ЛЛ Сч sXS

/ / / 8 9 /

Феа.2