УСТРОЙСТВО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТЕРМОЭЛЕМЕНТА

Полезная модель относится к полупроводниковым термоэлектрическим преобразователям энергии, функционирующим на эффекте Пельтье, имеет отношение к термоэлектрическому приборостроению и может быть использована при изготовлении термоэлектрических охлаждающих устройств в серийном и промышленном производствах.
Устройство полупроводникового термоэлемента включает коммутационную перемычку, которая соединяет р- и n-ветви таким образом, чтобы контактирующие с ветвями части перемычки приводили к равномерному перераспределению линий тока в полупроводниковых ветвях термоэлемента.
Принцип действия термоэлемента основан на термоэлектрическом эффекте Пельтье. Наибольший эффект (максимальный перепад температур, максимальная холодопроизводительность) достигается при плотности тока
,
где α - дифференциальная термоЭДС ветви; ρ - удельное сопротивление ветви;  -длина ветви,  - температура холодного конца ветви. Поэтому, неравномерное распределение плотности тока по поверхности контакта ветви и перемычки приведет к тому, что соотношение не будет выполняться во всех точках контакта, что приведет к снижению эффективности преобразования.
Известен полупроводниковый термоэлемент, который состоит из двух прямоугольных параллелепипедов из полупроводниковых материалов p- и n-типа проводимости, которые соединены металлической коммутационной перемычкой, образующей электрические и тепловые контактные поверхности на холодной стороне термоэлемента. При соответствующем направлении тока перемычка вследствие действия эффекта Пельтье охлаждается (Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник/ Л.И. Анатычук. - Киев: Наук. думка, 1979. 768 с).
Недостатками известного устройства являются
а) в структуре данного устройства формируется неравномерное распределение линий плотности тока, приводящее к повышенному тепловыделению за счет эффекта Джоуля в области вблизи коммутационной перемычки, поэтому изготовленный таким методом полупроводниковый термоэлемент будет обладать меньшим эффектом охлаждения;
б) в структуре устройства формируется неравномерное распределение линий тока на поверхности соединения коммутационной перемычки с полупроводниковыми ветвями, что приводит к неравномерному распределению теплопоглощения за счет эффекта Пельтье;
в) в структуре данного устройства формирующееся в поперечном направлении ветви неравномерное тепловыделение за счет эффекта Джоуля приводит к возникновению поперечного перепада температуры и, соответственно, термомеханических напряжений, снижающих механическую прочность ветвей и могущих привести к растрескиванию ветвей.
Техническая задача состоит в повышении термоэлектрической эффективности (максимальный перепад температур, максимальная холодопроизводительность) полупроводникового термоэлемента.
Техническая задача достигается тем, что в устройстве полупроводникового термоэлемента, содержащего две ветви из материалов p- и n-проводимости и соединяющую их металлическую перемычку, последняя выполнена с токопроводящими контактными площадками, имеющими в продольном сечении вид треугольников, к нижним основаниям которых припаяны холодные концы ветвей p- и n-проводимости.
Технический результат заключается в получении большей эффективности преобразования энергии.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена функциональная схема прототипа, реализующего традиционную конструкцию термоэлектрических модулей, и картина распределения теплоты Джоуля, полученная компьютерным моделированием;
на фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства и картина распределения теплоты Джоуля, полученная методом компьютерного моделирования.
Известное устройство (фиг. 1) содержит две ветви 1, выполненные в виде параллелепипедов из полупроводниковых материалов p- и n-типа проводимости, соединенныхметаллической коммутационной перемычкой 2, которая образует электрические и тепловые контакты на холодной стороне 3 ветвей термоэлемента. Горячие концы 4 ветвей соединяются токоподводами 5 с внешним источником тока.
Предлагаемое устройство (фиг. 2) содержит две ветви 1, выполненные в виде параллелепипедов из полупроводниковых материалов p- и n-типа проводимости, соединенных металлической коммутационной перемычкой 2, которая образует электрические и тепловые контакты на холодной стороне ветвей термоэлемента. Перемычка 2 выполнена с токоподводящими контактными площадками 3, имеющими в продольном сечении вид треугольников, к нижним основаниям которых припаяны холодные концы ветвей (p- и n-типа проводимости). Треугольная форма токоподводящих контактов перемычки позволяет достичь более равномерного тепловыделения Джоуля в ветвях термоэлемента. Распределение тепловыделения за счет эффекта Джоуля в структурах устройств (фиг. 1 и 2) проиллюстрировано полями разной интенсивности окраски: от наиболее светлой (меньшее тепловыделение) до наиболее темной (большее тепловыделение). Горячие концы ветвей 4 также соединяются токоподводами 5 с внешними источниками тока.
Устройство работает следующим образом.
Токоподводы 5 на горячих концах 4 ветвей подключаются к внешнему низковольтному источнику постоянного тока. Направление тока выбирается таким образом, чтобы теплота Пельтье поглощалась на холодном спае (коммутационная перемычка 2) и выделялась на горячем спае.
Технические преимущества полупроводникового термоэлемента предлагаемой конструкции в сравнении с прототипом:
1) возрастает равномерность распределения тепловыделения Джоуля в ветвях термоэлемента, что приводит к уменьшению перегрева ветви вблизи коммутационной перемычки;
2) возрастает равномерность поглощения теплоты Пельтье, что определяется температурой холодного конца ветви, согласно приведенной выше формулы;
3) уменьшаются термомеханические напряжения в поперечном направлении ветви, снижающие возможность образования трещин и сколов ветвей.