ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
THERMOELECTRIC MODULE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам, работа которых основана на использовании эффекта Пельтье, а именно - к термоэлектрическим генераторам, термоэлектрическим охлаждающим и нагревательным устройствам, и, более конкретно - к термоэлектрическим модулям, входящим в состав таких устройств.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны термоэлектрические модули, содержащие полупроводниковые термоэлектрические элементы p-типа и полупроводниковые термоэлектрические элементы n-типа, которые расположены рядом и выполнены каждый с двумя эквидистантными торцевыми поверхностями и с боковой поверхностью, пластины из тепло- и электропроводного материала, имеющие каждая внутреннюю поверхность, обращенную к торцам указанных термоэлектрических элементов и расположенную на расстоянии от них, и наружную поверхность, противоположную первой, и промежуточные элементы из тепло- и электропроводного материала, расположенные между указанными термоэлектрическими элементами и указанными пластинами и неразъемно соединенные своими первыми концами с торцами соответствующих термоэлектрических элементов, и своими вторыми концами с указанными пластинами (US 3279955А, 1966; US 5841064А, 1998).
В известных термоэлектрических модулях указанного типа концы промежуточных элементов соединены с пластинами посредством соединительного тепло- и электропроводного материала, расположенного между концами промежуточных элементов и внутренними поверхностями пластин.
При изготовлении таких модулей возникают проблемы с введением соединительного материала между концами промежуточных элементов и внутренними поверхностями пластин, особенно при использовании припоев в качестве соединительного материала. Кроме того, при использовании в качестве соединительного материала припоев, возникают проблемы с обеспечением температурных режимов пайки, необходимых для сохранения прочности соединения предварительно соединенных термоэлектрических и промежуточных элементов с полупроводниковыми термолектрическими элементами.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание термоэлектрических модулей указанного типа, при изготовлении которых упрощен процесс соединения с пластинами из тепло- и электропроводного материала промежуточных элементов, предварительно соединенных с термоэлектрическими элементами.
Эта задача решена тем, что в термоэлектрическом модуле, содержащем полупроводниковые термоэлектрические элементы р-типа и полупроводниковые термоэлектрические элементы n-типа, которые расположены рядом и выполнены каждый с двумя эквидистантными торцевыми поверхностями и с боковой поверхностью, пластины из тепло- и электропроводного материала, имеющие каждая внутреннюю поверхность, обращенную к торцам термоэлектрических элементов и расположенную на расстоянии от них, и наружную поверхность, противоположную первой, и промежуточные элементы из тепло- и электропроводного материала, расположенные между термоэлектрическими элементами и пластинами и неразъемно соединенные своими первыми концами с торцами соответствующих термоэлементов, и своими вторыми концами с пластинами, согласно изобретению в пластинах против полупроводниковых термоэлектрических элементов выполнены сквозные отверстия, и вторые концы промежуточных элементов соединены с пластинами посредством тепло- и электропроводного материала через отверстия в указанных пластинах.
Такое выполнение модуля упрощает процесс изготовления модулей при массовом производстве в результате того, что позволяет одновременно, и с внешней стороны, соединять с пластинами из тепло- и электропроводного материала все термоэлектрические элементы с предварительно соединенными промежуточными элементами из тепло- и электропроводного материала.
В качестве указанного соединительного материала, введенного в отверстие, может быть использован припой. Такое выполнение модуля позволяет изготавливать модули в условиях массового производства с применением обычных материалов.
В качестве указанного соединительного материала, введенного в отверстия пластин, может быть использован также гальванически осажденный металл. Такое исполнение модуля, также позволяющее изготавливать модули в условиях массового производства, дает возможность изготавливать термоэлектрические модули, работающие при высоких температурах, что имеет значение для модулей, используемых в термоэлектрических генераторах.
Площадь поперечного сечения вторых промежуточных элементов в местах соединения с пластинами может быть меньше, чем площадь поперечного сечения первых концов промежуточных элементов в местах соединения с торцами термоэлектрических элементов. Такое выполнение модуля позволяет обеспечить некоторую эластичность соединения промежуточных термоэлементов с пластинами из тепло- и электропроводного материала и уменьшить расстояния между термоэлектрическими элементами в модуле, что имеет особое значение для модулей, используемых в термоэлектрических генераторах. Особенно эффективно применение в качестве соединительного материала меди, обладающей высокой тепло- и электропроводностью и высокой пластичностью.
Промежуточные элементы могут по меньшей мере частично входить в отверстия пластин. Такое выполнение модуля позволяет обеспечить фиксацию термоэлектрических элементов в процессе изготовления без применения дополнительных материалов, а увеличенные размеры частей промежуточных элементов, выступающих за плоскость наружной поверхности пластин, позволяют увеличить площадь наружной поверхности модуля, что важно для улучшения теплопередачи.
Внутренние поверхности указанных пластин могут быть соединены с листами из тепло- и электроизоляционного материала, имеющими сквозные отверстия, расположенные против отверстий пластин. Такое выполнение упрощает изготовление модулей за счет того, что позволяет формировать пластины из тепло- и электропроводного материала на листах из тепло- и электроизоляционного материала и соединять пластины с промежуточными элементами.
Боковые поверхности термоэлектрических элементов и, частично, промежуточные элементы, могут быть покрыты слоем тепло- и электроизоляционного материала. Такое выполнение обеспечивает защиту термоэлектрических элементов от попадания припоя или осажденного металла при изготовлении модуля, а также улучшает изоляцию термоэлектрических элементов при работе устройства, в котором использован термоэлектрический модуль.
Далее изобретение раскрыто на примере осуществления со ссылкой на приложенные чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
На приложенных чертежах изображено:
на фиг.1 - общий вид термоэлектрического модуля согласно настоящему изобретению;
на фиг.2 - общий вид составляющих элементов термоэлектрического модуля согласно настоящему изобретению, несколько разнесенных;
на фиг.3 - разрез варианта термоэлектрического модуля согласно настоящему изобретению;
на фиг.4 - разрез составляющих элементов варианта термоэлектрического модуля согласно настоящему изобретению, несколько разнесенных;
на фиг.5 - 12 - варианты исполнения места А фиг.3.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фиг.1-3, термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые термоэлектрические элементы 1 p-типа, полупроводниковые термоэлектрические элементы 2 n-типа, которые расположены рядом, и пластины 3 из тепло- и электропроводного материала.
Каждый термоэлектрический элемент 1, 2 (фиг.4) выполнен с двумя эквидистантными поверхностями 1', 1" и 2', 2" и с боковой поверхностью 1''' или 2'''.
Каждая пластина 3 (фиг.4) имеет внутреннюю поверхность 3', обращенную к торцам термоэлектрических элементов и расположенную на расстоянии от них (фиг.3), и наружную поверхность 3", противоположную поверхности 3' (фиг.4).
Между термоэлектрическими элементами 1 и 2 и пластинами 3 (фиг.3) расположены промежуточные элементы 4 из тепло- и электропроводного материала, например из меди, неразъемно соединенного своими первыми концами 4' (фиг.4) с торцами соответствующих термоэлектрических элементов 1 и 2. Между каждым промежуточным элементом 4 из меди и полупроводниковым термоэлектрическим элементом 1 и 2 выполнен слой никеля и других металлов (не показан на чертежах), препятствующий диффузии меди в материал термоэлектрических элементов. Вторые концы 4" промежуточных элементов направлены к пластинам 3 (фиг.4) и соединены с ними (фиг.3). Площадь поперечного сечения вторых концов 4" (фиг.4) промежуточных элементов в местах соединения с пластинами 3 меньше, чем площадь поперечного сечения первых концов 4' промежуточных элементов в местах соединения с торцами термоэлектрических элементов.
Внутренние поверхности 3' (фиг.4) пластин 3 соединены с листами 5 из тепло- и электроизоляционного материала (фиг.3 и 4).
В пластинах 3 против термоэлектрических элементов 1 и 2 выполнены сквозные отверстия 6 (фиг.4). В листах 5 выполнены сквозные отверстия (не обозначены) расположенные против отверстий пластин.
Вторые концы 4” промежуточных элементов 4 соединены с пластинами 3 посредством тепло- и электропроводного материала 7, введенного в отверстия 6 пластин 3 (фиг.3). В качестве материала 7, введенного в отверстия 6 пластин 3, использован припой (в одном варианте исполнения модуля) и гальванически осажденный металл, например медь (в другом варианте исполнения) или электро- и теплопроводные материалы, нанесенные путей осаждения в вакууме или электрохимически.
Боковые поверхности 1''', 2''' термоэлектрических элементов 1, 2 и частично промежуточные элементы 4 покрыты слоем 8 тепло- и электроизоляционного материала (фиг 3, 4).
На фиг. 5-12 показаны варианты исполнения места А (фиг.3) промежуточных элементов 4 с пластинами 3.
Промежуточные элементы 4 могут входить в отверстия в пластинах (фиг.5, 6, 8-12).
Вторые концы 4" промежуточных элементов 4 могут располагаться на некотором расстоянии от наружной поверхности 3" пластин 3 (фиг.7).
Тепло- и электропроводный материал 7 может соединять боковую поверхность 4''' (фиг.4) промежуточных элементов с пластинами 3 (фиг.5, 6, 8-11).
Отверстия 6 в пластинах 3 (фиг.4) могут быть выполнены с фасками (не обозначены) на внутренней (фиг.5) и наружной стороне пластин (фиг.6).
Края отверстий 6 в пластинах 3 могут быть изогнуты в сторону наружной (фиг.10, 11, 12) и внутренней (фиг.8, 9) поверхности пластин.
Поверхность или часть поверхности вторых концов 4" промежуточных элементов 4 может иметь сферическую форму (фиг.10, 12).
Соединительный материал 7 может соединять внутреннюю поверхность отверстия 6 и боковую поверхностью 4''' промежуточных элементов 4 (фиг.5, 6).
Соединительный материал 7 может покрывать наружную поверхность 3" пластин 3 (фиг. 8-12).
Соединительный материал 7 может покрывать всю наружную поверхность 3" пластин 3 (фиг.9, 11, 12).
Описанный термоэлектрический модуль может быть изготовлен следующим образом.
На обе стороны пластины (плоской шайбы) из термоэлектрических материалов p-типа и n-типа наносят покрытие, препятствующее диффузии меди в материал пластин, и обе стороны пластин покрывают соединяемыми с ними плоскими элементами, изготовленными из тепло- и электропроводного материала, например меди. Затем по плоскостям, перпендикулярным плоским сторонам полученных изделий-полуфабрикатов, разрезают их на части так, что получаются соответствующие полупроводниковые элементы, с которыми соединены промежуточные элементы. Одновременно с этим или последовательно срезают части промежуточных элементов для того, чтобы площадь поперечного сечения концов промежуточных элементов, удаленных от торцов термоэлектрических элементов, была меньше, чем площадь поперечного сечения концов промежуточных элементов в местах их соединения с торцами термоэлектрических элементов. Затем покрывают боковые поверхности термоэлементов и частично поверхности промежуточных элементов слоем тепло- и электроизоляционного материала.
Параллельно, на листах из тепло- и электроизоляционного материала формируют пластины из тепло- и электропроводного материала с отверстиями, расположение которых соответствует расположению полупроводниковых термоэлектрических элементов в модуле.
Собирают чередующиеся полупроводниковые элементы p-типа и n-типа с прикрепленными к ним промежуточными элементами в пакет, в котором эти элементы расположены рядом друг с другом. Листы с пластинами устанавливают на пакет из полупроводниковых элементов с прикрепленными к ним промежуточными элементами. Со стороны наружных поверхностей пластин наносят тепло- и электропроводный материал в виде гальванически осажденной меди, или вводят соединительный материал в виде припоя, который подвергают нагреву.
При необходимости, наружные поверхности пластин могут быть зачищены от излишков припоя или гальванически осажденного металла. При необходимости обрабатывают поверхность совокупности пластин до восстановления плоскостности модуля. При этом дополнительно может быть обеспечено и необходимое расстояние между внешними плоскостями пластин.
Пластины могут быть выполнены из биметаллических проводников, например из плакированного алюминия.
Пластины и соединительный тепло- и электропроводный материал могут быть покрыты теплопроводным электроизоляционным материалом, например оксидом алюминия.
Методами планарной технологии формирование пластин из тепло-электропроводного материала может быть осуществлено после соединения листов из тепло- электропроводного материала с выполненными в них отверстиями и полупроводниковых термоэлектрических элементов, соединенных с промежуточными элементами.
В термоэлектрических устройствах - термоэлектрических генераторах, термоэлектрических охлаждающих и нагревательных устройствах наружные поверхности пластин соединены с теплопередающими элементами устройств или являются частью канала для прохода теплоносителя (не показаны на чертежах). Электрически цепи, образованные пластинами 3, промежуточными элементами 4 и термоэлектрическими элементами 1, 2, подключены в генераторах к потребителю электроэнергии, а в охлаждающих и нагревательных устройствах к источнику электроэнергии (не показаны на чертежах).
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Изобретение может быть применено в термоэлектрических генераторах, термоэлектрических охлаждающих и нагревательных устройствах.