МНОГОКАСКАДНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАДИТЕЛЬ

Полезная модель относится к микроэлектронике, а, в частности, к конструкциям каскадных термоэлектрических охладителей, предназначенных для охлаждения приемников излучения, микроэлектронных схем.
Предлагаемая полезная модель может быть использована, например, для фотоэлектронных приемников излучения на основе поликристаллических пленок.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой конструкции является конструкция каскадного термоэлектрического охладителя, включающая N установленных друг на друге каскадов, каждый из которых состоит из чередующихся n- и p- полупроводниковых ветвей, соединенных электрически, теплопоглощающей поверхности, предназначенной отвода тепла от вышерасположенного каскада к нижерасположенному, теплопереходы между соседними каскадами, причем теплопоглощающая поверхность верхнего каскада предназначена для охлаждения объекта, при этом мощность по охлаждающей способности каждого нижерасположенного каскада, больше мощности вышерасположенного каскада (Рекламный листок фирмы Marlow Industries, Inc., США «Thermoelectric Cooler MI 4012T»)
В известной конструкции каскад состоит из четырех каскадов.
Недостатком известной конструкции является то, что вся активная тепловая нагрузка от охлаждаемого объекта, помещаемого на верхнюю теплопоглощающую поверхности охладителя, его тепловыделение, а также иные пассивные, сопряженные тепловые нагрузки (тепловые натекания по проводам) от тепловыделения элементов устройства не требующих охлаждения, но соединенных с объектом охлаждения, падают на эту теплопоглощающую поверхность термоэлектрического охладителя.
При этом данные пассивные тепловые нагрузки часто сопоставимы или превышают величину собственного активного тепловыделения объекта охлаждения. В связи с этим охлаждающая способность используется не эффективно из-за необходимости обеспечивать теплоотвод от элементов, не требующих охлаждения.
Это приводит к тому, что:
- снижается требуемая эффективность охлаждения полезного объекта;
- требуются термоэлектрические охладители большей охлаждающей мощности, а, следовательно, и увеличение габаритов и энергопотребления.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание конструкции, позволяющей увеличить эффективность охлаждения за счет отвода части пассивных тепловых нагрузок (от вспомогательных частей конструкции, например, проводов, диафрагмы и т.д.) от теплопоглощающей поверхности термоэлектрического охладителя.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием многокаскадного термоэлектрического охладителя, включающего N установленных друг на друге каскадов, каждый из которых состоит из чередующихся n- и p-полупроводниковых ветвей, соединенных электрически, теплопоглощающей поверхности, предназначенной отвода тепла от вышерасположенного каскада к нижерасположенному, теплопереходы между соседними каскадами, причем теплопоглощающая поверхность верхнего каскада предназначена для охлаждения объекта, при этом мощность по охлаждающей способности каждого нижерасположенного каскада, больше мощности вышерасположенного каскада который, согласно полезной модели, снабжен теплоотводящим элементом, установленным на теплопереходе одного из нижних каскадов, и имеющим с ним тепловой контакт, причем на элементе выполнены посадочные места, предназначенные для размещения вспомогательных тепловыделяющих частей охлаждаемого объекта.
В предлагаемой полезной модели теплоотводящий элемент позволяет уменьшить тепловую нагрузку на теплопоглощающую поверхность многокаскадного термоэлектрического охладителя от вспомогательных частей конструкции, например, мультиплексоров, проводов и т.д. за счет отвода выделяемого ими тепла на теплопоглощающую поверхность промежуточного каскада, с которым он имеет тепловой контакт.
Кроме того, теплопроводящий элемент может быть выполнен в виде цилиндрического полого стакана, при этом его высота больше или равна суммарной высоте каскадов.
Таким образом, все каскады охладителя выше места крепления теплоотводящего элемента оказываются внутри экрана, которым служит теплоотводящий элемент.
Экран отражает лучистую энергию и снижает пассивную тепловую нагрузку на все экранированные от излучения элементы каскадов, чем сохраняет эффективность охладителя для охлаждения объекта охлаждения.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения идентичные заявленному, а, следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления полезной модели.
Сущность предлагаемой конструкции полезной модели поясняется нижеследующим описанием конструкции и чертежами, где
На фиг.1 - показан многокаскадный термоэлектрический охладитель. На фиг.2 - разрез А-А фиг.1
Многокаскадный термоэлектрический охладитель содержит N каскадов 1, установленных друг на друге, теплопереходы 2, расположенные между соседними каскадами и теплоотводящий элемент 3.
Каждый каскад 1 состоит из чередующихся n- и p- полупроводниковых ветвей 4 (на черт. не показано), соединенных электрически, теплопоглощающей поверхности 5, и тепловыделяющей поверхности 6.
Отвод тепла от вышерасположенного каскада к нижерасположенному происходит путем теплового контакта через теплопереход 2 теплопоглощающей поверхности 5 с тепловыделяющей поверхностью 6 соседнего верхнего каскада.
Причем теплопоглощающая поверхность 5 верхнего каскада предназначена для охлаждения объекта 6,
Предлагаемое устройство может быть снабжено термодатчиком 7.
Размеры ветвей, их число на каждом каскаде охладителя рассчитывают с учетом оптимизации его технических характеристик.
При этом мощность каждого нижнего каскада больше мощности верхнего с учетом необходимости нижним каскадом отводить тепло верхнего каскада, которое является суммой полезного отводимого тепла и тепловыделения Джоуля на данном верхнем каскаде, обеспечивающего перенос полезного тепла к данному нижнему каскаду. Количество каскадов термоэлектрического охладителя в предлагаемой полезной модели выбирают из заданных технологических параметров.
В предлагаемой конструкции полупроводниковые ветви электрически соединены последовательно.
Предлагаемая конструкции может быть снабжена термодатчиком 7, установленным на торце теплопоглощающей поверхности 5 термоэлектрического охладителя для контроля температуры теплопоглощающей поверхности. В качестве термодатчика может быть использован любой тип термисторов подходящего размера для монтажа.
Теплоотводящий элемент 3 своим основанием закреплен на одном из теплопереходов 2, расположенном ниже теплопоглощающей поверхности охладителя 5, Это необходимо для обеспечения теплового контакта с теплопоглощающей поверхностью нижерасположенного каскада по отношению к самому верхнему.
На свободной поверхности теплоотводящего элемента 3, выполнены посадочные места 8, предназначенные для размещения вспомогательных тепловыделяющих частей охлаждаемого объекта, например, электронных мультиплексоров, диафрагмы, проводов.
Теплоотводящий элемент 3 может быть выполнен в виде полого стакана из меди с высокой теплопроводностью.
Поверхность стакана имеет блестящее светоотражающее никелевое покрытие, а высота данного теплоотводящего элемента может быть выполнена на уровне места размещения объекта охлаждения на теплоотводящей поверхности охладителя 5. Все каскады охладителя выше места крепления теплоотводящего элемента оказываются внутри экрана, которым служит Теплоотводящий элемент 3.
Теплоотводящий элемент 3 может быть изготовлен как единая деталь для обеспечения требуемой конструкционной точности.
Работа предлагаемой полезной модели осуществляют следующим образом:
При работе охлаждаемого объекта, расположенного на теплопоглощающей поверхности 5 многокаскадного термоэлектрического охладителя, и вспомогательных элементов, расположенных в посадочных местах 8 теплоотводящего элемента 3 и имеющих электрический и тепловой контакт с охлаждаемым объектом, тепловые потоки разделяются:
1- тепло, выделяющееся вспомогательными элементами, за счет высокой теплопроводности теплоотводящего элемента 3 переносится на теплопоглощающую сторону нижнего каскада охладителя 4, где и происходит его поглощение.
2- теплопоглощающая поверхность 5 термоэлектрического охладителя отводит в основном только тепло от охлаждаемого объекта, обеспечивая, таким образом, максимально эффективное охлаждение данного объекта.
Таким образом, происходит эффективное охлаждение охлаждаемого объекта.
Был изготовлены и опробованы опытные образцы предлагаемой полезной модели.
Предлагаемый многокаскадный термоэлектрический охладитель без теплоотводящего элемента близок по конструкции прототипа. В Таблице 1 приведены их сравнительные характеристики.
Таблица 1.
Параметры
Ед. изм.
Сравнение
Предлагаемый многокаскадный термоэлектрический охладитель
Термоэлектрический охладитель MI 4012Т (США, фирма Marlow Industries, Inc.)
Размер теплопоглощающей поверхности
мм<sup>2</sup>
4×11
4×8
Размер тепловыделяющей поверхности
мм<sup>2</sup>
15×16.5
13×17
Высота
мм
8.7
8.7
ΔТ<sub>mах</sub>(вакуум, при 300К)
К
117.5
114
Q<sub>mах</sub>
Вт
1.39
0.76
I<sub>mах</sub>
А
1.9
1.0
U<sub>mах</sub>
В
6.3
6.7
Хотя, предлагаемый многокаскадный термоэлектрический охладитель имеет определенные преимущества даже при отсутствии теплоотводящего элемента (большая максимальная охлаждающая способность, больший размер теплоотводящей поверхности), основные его преимущества проявляются при охлаждении типичного объекта охлаждения, представляющего собой фотоприемный элемент, расположенный на теплоотводящей поверхности, со вспомогательньми элементами (мультиплексорами), расположенными на теплоотводящем элементе и соединенными с фотоприемньм элементом с помощью проводов.
В таблице 2 приведены сравнительные данные охлаждающей способности предлагаемой полезной модели (1), где объект охлаждения, расположенный на теплопоглощающей поверхности, соединен проводами со вспомогательными элементами устройства, размещенньми на теплоотводящем элементе, а также аналогичного по параметрам охладителя, но без теплоотводящего элемента с расположенньми вспомогательньми на теплоотводящей поверхности (2) и со вспомогательными элементами, расположенньми вне теплоотводящей поверхности (при комнатной температуре), но соединенными с фотоприемным элементом проводами (3). При этом для всех сравниваемых случаев тепловыделение объекта охлаждения (100 мВт) типично для данного фотоприемного устройства и тепловыделение вспомогательных элементов (150 мВт) также типично для таких элементов и одинаково зафиксировано.
Таблица 2.
Полезная модель с охлаждаемым объектом на теплопоглощающей поверхности и вспомогательными элементами на посадочном месте теплопроводящего элемента
Охладитель со вспомогательными элементами, расположенными на теплопоглощающей поверхности
Охладитель со вспомогательными элементами, расположенными на теплопоглощающей поверхности, но соединенными с охлаждаемым Элементом проводниками
1
2
3
4
Тепловыделение объекта охлаждения
100 мВт
Тепловыделение вспомогательных элементов
150мВт
Количество проводов
32
Температура окружающей среды
25°С
Максимальное охлаждение объекта
-85°С
-73°С
-77,5°С
Заданное охлаждение
-73°С
Потребляемая электрическая мощность при заданном охлаждении
5,1 Вт
10,4 Вт
7,5 Вт
Как видно из таблицы 2, предлагаемая полезная модель имеет преимущества по охлаждающей способности:
- обеспечивает заметно более глубокое охлаждение охлаждаемого объекта;
- охлаждают до более низкой температуры, что способствует увеличению качества функционирования фотоприемного элемента;
- потребляют и рассеивают меньшую мощность при одинаковой заданной достижимой температуре охлаждения, что обеспечивает энергосбережение и более компактную конструкцию, так как пропорционально уменьшает необходимые размеры теплорассеивающего радиатора электронного устройства.