ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И ЗАГОТОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам, работа которых основана на использовании эффектов Пепьтье и Зеебека, а именно - к термоэлектрическим генераторам, охлаждающим и нагревательным устройствам, и, более конкретно - к термоэлектрическим модулям, входящим в состав таких устройств, и термоэлектрическим элементам, входящим в состав термоэпектричесикх модулей.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны термоэлектрические модули, содержащие: термоэлектрические элементы p-типа, имеющие каждый эквидистантные торцевые поверхности и перпендикулярную им цилиндрическую боковую поверхность, термоэлектрические элементы n-типа, имеющие каждый эквидистантные торцевые поверхности и перпендикулярную им цилиндрическую боковую поверхность, и электроды, соединенные с указанными торцевыми поверхностями термоэлектрических элементов (WO 97/013283, 1997, ЕР 0870337 B1, 2002).
Такие известные термоэлектрические модули с термоэлектрическими элементами в виде цилиндров имеют неоптимальное соотношение общей площади сечения термоэлектрических элементов и площади, через которую происходит подвод и отвод тепловых потоков при работе термоэлектрических устройств, из-за относительно большой общей площади зазоров между соседними термоэлектрическими элементами при заданных минимальных величинах зазоров. Это ограничивает тепловую и электрическую эффективность термоэлектрических устройств при прочих равных условиях.
Известны также термоэлектрические модули, содержащие: термоэлектрические элементы p-типа, имеющие каждый эквидистантные торцевые поверхности и перпендикулярную им боковую поверхность, имеющую грани, термоэлектрический элемент n-типа, имеющий эквидистантные торцевые поверхности и перпендикулярную им боковую поверхность, имеющую грани, и электроды, соединенные с указанными торцевыми поверхностями термоэлектрических элементов (RU 2075138 С1, 1997).
В этих известных термоэлектрических модулях термоэлектрические элементы и входящие в них полупроводниковые изделия имеют боковые поверхности с четырьмя гранями каждое. Такое выполнение позволяет уменьшить общую площадь зазоров между термоэлектрическими элементами и. тем самым, повысить тепловую и электрическую мощность термоэлектрических устройств. Однако, известные полупроводниковые изделия из кристаллических материалов, входящие в состав известных термоэлектрических элементов, обладают сравнительно малой прочностью при высокой жесткости и хрупкости. В известных термоэлектрических модулях промежутки между термоэлектрическими элементами проходят в двух направлениях - вдоль их граней. Известные термоэлектрические модули имеют разную жесткость относительно этих направлений и относительно остальных направлений. При работе термоэлектрических устройств возникающие в них тепловые потоки вызывают неравномерные термические деформации частей устройств, приводящие к механическим нагрузкам, действующим в разных направлениях. В результате этого, под действием механических нагрузок может происходить растрескивание полупроводниковых изделий из кристаллических материалов, приводящее к ухудшению или полному нарушению работы термоэлектрических устройств.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание термоэлектрических модулей и входящих в них термоэлектрических элементов, обладающих при повышенной мощности высокими механическими и термоэлектрическими качествами, а также создание заготовок для изготовления таких термоэлектрических элементов.
Эта задача решена тем, что в термоэлектрическом модуле, содержащем термоэлектрические элементы p-типа, имеющие каждый эквидистантные торцевые поверхности и перпендикулярную им боковую поверхность, имеющую грани, термоэлектрические элементы n-типа, имеющие каждый эквидистантные торцевые поверхности и перпендикулярную им боковую поверхность, имеющую грани, и электроды, соединенные с указанными торцевыми поверхностями термоэлектрических элементов, согласно изобретению количество граней боковых поверхностей термоэлектрических элементов кратно шести.
Такое выполнение позволяет уменьшить жесткость термоэлектрического модуля и, тем самым, повысить его стойкость к термическим и механическим нагрузкам, уменьшить общую площадь зазоров между темоэлектрическими элементами, в результате чего возникает возможность увеличения плотности упаковки элементов в термоэлектрическом модуле и, тем самым, повышения тепловой и электрической мощности, эффективности и надежности термоэлектрических устройств.
Электрод, соединенный с торцевыми поверхностями термоэлектрических элементов может иметь в плане гантелееобразную форму, образованную двумя круговыми секторами, охватывающими угол более 180°, и соединяющей их перемычкой, ширина которой меньше диаметра по меньшей мере одного из указанных круговых секторов. Такое выполнение электрода обеспечивает улучшение тепло- и электропередачи между термоэлектрическими элементами, благодаря улучшению условий пайки при соединении электродов с термоэлектрическими элементами и улучшению согласования контуров электродов и торцевых поверхностей термоэлектрических элементов.
Перемычка электрода может быть выполнена с поперечным местным утонением для уменьшения жесткости электрода и, тем самым, уменьшения механических напряжений, действующих на электрод и на термоэлектрические элементы.
Перемычка электрода может быть выполнена по меньшей мере с одним поперечным гофром для уменьшения жесткости электрода.
В круговом секторе электрода может быть выполнено сквозное отверстие.
В термоэлектрическом элементе, содержащем по меньшей мере одно полупроводниковое изделие, изготовленное из кристаллического материала в виде шайбы, имеющей первый плоский торец, параллельный ему второй плоский торец и перпендикулярную указанным плоским торцам боковую поверхность, имеющую грани, согласно изобретению количество граней указанной боковой поверхности кратно шести.
В оптимальном варианте исполнения термоэлектрического элемента его указанная боковая поверхность выполнена с шестью гранями.
Боковая поверхность термоэлектрического элемента может быть покрыта электроизоляционным материалом.
Термоэлектрический элемент может быть составлен из нескольких частей, имеющих, каждая первый плоский торец, параллельный ему второй плоский торец и перпендикулярную указанным плоским торцам боковую поверхность с гранями, при этом боковая поверхность термоэлектрического элемента по меньшей мере частично образована гранями указанных частей.
В термоэлектрическом элементе, составленном из нескольких частей, первые плоские торцы указанных частей могут быть электрически и механически соединены между собой и вторые плоские торцы указанных частей могут быть электрически и механически соединены между собой. При этом каждая указанная часть термоэлектрического элемента может иметь боковую поверхность с тремя гранями.
Термоэлектрический элемент может быть составлен из семи частей, имеющих каждая боковую поверхность с шестью гранями, причем одна такая часть расположена в центре, а остальные части расположены вокруг центральной части.
Термоэлектрический элемент может быть составлен также из шести частей, имеющих каждая боковую поверхность с шестью гранями, причем указанные части расположены вокруг центрального отверстия.
Заготовка для изготовления термоэлектрических элементов из кристаллического материала согласно изобретению выполнена в виде стержня с прямолинейной осью, имеющего наружную поверхность с шестью гранями.
Заготовка может быть выполнена из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей спои, параллельные указанной оси стержня. Наружная поверхность заготовки может быть покрыта электроизоляционным материалом.
Далее изобретение раскрыто на примерах осуществления с ссылками на приложенные чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
На приложенных чертежах изображено:
на фиг 1 - общий вид термоэлектрического модуля;
на фиг 2 - вид сверху на термоэлектрический модуль, показанный на фиг.4;
на фиг.3 - термоэлектрический модуль, показанный на фиг.1, вид сбоку;
на фиг.4 - электрод, соединяющий термоэлектрические элементы, вид сверху;
на фиг.5 - разрез А-А на фиг.4 (первый вариант);
на фиг.6 - электрод, соединяющий термоэлектрические элементы, вид сбоку (второй вариант);
на фиг.7 - термоэлектрический элемент согласно настоящему изобретению (первый вариант) вид сбоку;
на фиг.8 - разрез В-В на фиг.7;
на фиг.9 - термоэлектрический элемент согласно настоящему изобретению (второй вариант) вид сбоку;
на фиг.10 - разрез С-С на фиг.9;
на фиг.11 - термоэлектрический элемент согласно настоящему изобретению (третий вариант) вид сбоку;
на фиг.12 - разрез D-D на фиг.11;
на фиг.13 - термоэлектрический элемент согласно настоящему изобретению (четвертый вариант) вид сбоку;
на фиг.14 - разрез Е-Е на фиг.13;
на фиг.15 - заготовка для изготовления термоэлектрических элементов, вид сбоку;
на фиг.16 - заготовка, показанная на фиг.15, вид сбоку;
на фиг.17 - разрез F-F на фиг.16.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЙ
Как показано на фиг.1-3, термоэлектрический модуль содержит термоэлектрический элемент 2а p-типа, термоэлектрический элемент 2b n-типа и электроды 3. Термоэлектрический элемент 2а имеет эквидистантные торцевые поверхности 2а', 2а'' и перпендикулярную им боковую поверхность 2а''' (фиг.3). Термоэлектрический элемент 2b имеет эквидистантные торцевые поверхности 2b', 2b'' и перпендикулярную им боковую поверхность 2b'''. Каждая боковая поверхность 2а''', 2b''' имеет грани (не обозначены), количество которых кратно шести. Электроды 3 соединены с торцевыми поверхностями термоэлектрических элементов 2а, 2b.
Электрод 3 (фиг.4) имеет в плане гантелееобразную форму, образованную двумя круговыми секторами 3а, 3b, охватывающими угол более 180°, и соединяющую их перемычку 3с, ширина которой меньше диаметра каждого кругового сектора 3а, 3b.
Перемычка электрода выполнена с поперечным местным утонением 3d (фиг.5) или с поперечным гофром 3е (фиг.6).
В круговых секторах 3а, 3b электрода 3 выполнены сквозные отверстия 3f, 3g (фиг.4).
Термоэлектрический элемент 2а или 2b (первый вариант, фиг.7-8) содержит полупроводниковое изделие 5, изготовленное из кристаллического материала. Полупроводниковое изделие 5 выполнено в виде шайбы, имеющей первый плоский торец 6, образующий первую торцевую поверхность 2а' или 2b' термоэлектрического элемента 2а или 2b, параллельный ему второй плоский торец 7, образующий вторую торцевую поверхность 2а'' или 2b'' термоэлектрического элемента 2а или 2b, и перпендикулярную указанным плоским торцам боковую поверхность 8, образующую боковую поверхность 2а''' или 2b''' термоэлектрического элемента 2а или 2b. Боковая поверхность 8 полупроводникового изделия 5 имеет грани, количество которых кратно шести. В показанном варианте боковая поверхность 8 полупроводникового изделия 5 имеет шесть граней 8а, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f (фиг.8).
Боковая поверхность 2а''' или 2b''' термоэлектрического элемента 2а или 2b покрыта электроизоляционным материалом 9 (фиг.8).
Показанный на фиг.9 и 10 термоэлектрический элемент 2а или 2b (второй вариант) составлен из шести частей Ю, 11, 12, 13, 14, 15 (фиг.10), каждая из которых имеет первый плоский торец 10а, На, 12а, 13а, 14а, 15а (фиг.9), образующие первую торцевую поверхность 2а' или 2b' термоэлектрического элемента 2а или 2b, параллельный ему второй плоский торец 10b, 11b, 12b, 13b, 14b, 15b, образующие вторую торцевую поверхность 2а'' или 2b'' термоэлектрического элемента 2а или 2b, и перпендикулярную указанным плоским торцам боковую поверхность 10с, 11с, 12с, 13с, 14с, 15с с тремя гранями (не обозначены), образующие боковую поверхность 2а''' или 2b''' термоэлектрического элемента 2а или 2b (фиг.10).
Первые плоские торцы 10а, На, 12а, 13а, 14а, 15а частей 10, 11, 12, 13, 14, 15 электрически и механически соединены между собой посредством пластины 16а из электро- и теплопроводного материала (фиг.9). Вторые плоские торцы 10b, 11b, 12b, 13b, 14b, 15b частей 10, 11, 12, 13, 14, 15 электрически и механически соединены между собой посредством пластины 16b из электро- и теплопроводного материала.
Показанный на фиг.11 и 12 термоэлектрический элемент 2а или 2b (третий вариант) составлен из семи частей 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 (фиг.12), каждая из которых имеет первый плоский торец 17а, 18а, 19а, 20а, 21 а, 22а, 23а, образующие первую торцевую поверхность 2а' или 2b' термоэлектрического элемента 2а иди 2b, параллельный ему второй плоский торец 17b, 18b, 19b, 20b, 21b, 22b, 23b, образующие вторую торцевую поверхность 2а'' или 2b'' термоэлектрического элемента 2а иди 2b, и перпендикулярную указанным плоским торцам боковую поверхность 17с, 18с, 19с, 20с, 21с, 22с, 23с с шестью гранями (не обозначены). Одна часть 17 расположена в центре, а остальные части 18, 19, 20, 21, 22, 23 расположены вокруг центральной части 17. Три грани (не обозначены) боковой поверхности каждой части 18, 19, 20, 21, 22, 23 образуют боковую поверхность 2а''' или 2b''' термоэлектрического элемента 2а или 2b, имеющую восемнадцать граней с внешней стороны (фиг.12).
Первые плоские торцы 17а, 18а, 19а, 20а, 21а, 22а, 23а частей 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 электрически и механически соединены между собой посредством пластины 16а из электро- и теплопроводного материала. Вторые плоские торцы 17b, 18b, 19b, 20b, 21b, 22b, 23b частей 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 электрически и механически соединены между собой посредством пластины 16b из электро- и теплопроводного материала.
Показанный на фиг.13 и 14 термоэлектрический элемент 2а или 2b (четвертый вариант) составлен из шести частей 18, 19, 20, 21, 22, 23, каждая из которых имеет первый плоский торец 18а, 19а, 20а, 21а, 22а, 23а, образующие первую торцевую поверхность 2а' или 2b' термоэлектрического элемента 2а иди 2b, параллельный ему второй плоский торец 18b, 19b, 20b, 21b, 22b, 23b, образующие вторую торцевую поверхность 2а'' или 2b'' термоэлектрического элемента 2а или 2b, и перпендикулярную указанным плоским торцам боковую поверхность 18с, 19с, 20с, 21с, 22с, 23с с шестью гранями (не обозначены). Части 18, 19, 20, 21, 22, 23 расположены вокруг центрального отверстия 24 (фиг.14). Три грани (не обозначены) каждой части 18, 19, 20, 21, 22, 23 образуют боковую поверхность 2а''' или 2b''' термоэлектрического элемента 2а или 2b, имеющую восемнадцать граней с внешней стороны (фиг.14).
Первые плоские торцы 18а, 19а, 20а, 21a, 22a, 23а частей 18, 19, 20, 21, 22, 23 электрически и механически соединены между собой посредством пластины 16а из электро- и теплопроводного материала (фиг.13). Вторые плоские торцы 18b, 19b, 20b, 21b, 22b, 23b частей 18, 19, 20, 21, 22, 23 электрически и механически соединены между собой посредством пластины 16b из электро- и теплопроводного материала.
Показанная на фиг.15-17 заготовка 25 для изготовления термоэлектрических элементов 2а, 2b из кристаллического материала выполнена в виде стержня с прямолинейной осью 26, имеющего наружную поверхность 27 с шестью гранями 27а, 27b, 27с, 27d, 27e, 27f (фиг.17).
Заготовка 25 выполнена из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей слои 28а, 28b, 28с, 28d, параллельные оси 26 стержня (фиг.17). Наружная поверхность 27 заготовки покрыта электроизоляционным материалом 29.
Для изготовления термоэлектрических элементов заготовку 25 разрезают на части поперек ее оси 26 (не показано).
Описанные термоэлектрические модули и входящие в них термоэлектрические элементы имеют оптимальное сочетание прочностных, электрофизических и теплофизических качеств. Описанные заготовки позволяют без значительных затрат изготавливать из них такие термоэлектрические элементы.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Изобретение может быть применено в термоэлектрических генераторах, термоэлектрических охлаждающих и нагревательных устройствах, а также в измерительных и иных устройствах.