ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Термоэлектрический модуль относится к области холодильной техники и может быть использован при конструировании систем кондиционирования воздуха, систем охлаждения элементов электронно-вычислительной техники, полупроводниковых приборов, в частности полупроводниковых лазеров и др.
Известна конструкция термоэлектрического охладителя, состоящего из трех каскадов термоэлементов, электроизоляционной теплопоглощающей пластины размерами 3,5×3,5 мм, на которой установлен фоточувствительный элемент, и горячей пластины, находящейся в контакте с корпусом устройства (см. статью авторов Алиева Т.Д., Ахундова Д.Ш., Абдинов Д.Ш. «Термоэлектрический охладитель на уровень температуры ~200 К для инфракрасных фотоприемников» в журнале «Приборы и техника эксперимента», 1999 р., с.164-165). Такой охладитель обеспечивает холодопроизводительность 100 мВт, температуру теплопоглощающей поверхности на уровне 200-205 К при температуре окружающей среды ~295 К, токе питания 2 А, потребляемой мощности 4,5 Вт. Количество термоэлементов - 29. Охладитель можно использовать для охлаждения других радиоэлементов с тепловой нагрузкой до 100 мВт.
Недостатком устройства является сложность его конструкции, вследствие чего увеличиваются затраты на его изготовление и снижается надежность работы в условиях эксплуатации.
Известна типична конструкция более простого (однокаскадного) термоэлектрического модуля, содержащая термоэлементы, соединенные между собой с помощью медных контактных пластин в последовательную термоэлектрическую цепь, которые размещены между двумя несущими электроизоляционными керамическими пластинами (холодной та горячей), выполненными из теплопроводной бериллиевой керамики (см. книгу авторов Вайнер А.Л., Моисеев В.Ф. Совмещенные приборы криотермоэлектрической электроники. - Одесса: Студия «Негоциант», 2000. - 100 с., рис.6.П на с.92). Поверхности пластин металлизированы, что позволяет закреплять на модуле приборы с помощью пайки. Размеры термоэлектрического модуля, например типа М6-127, составляют 40×40×3,8 мм (см. табл.1.П на с.86 указанной книги). Максимальный ток питания 8 А, максимальное напряжение питания 15,4 В. Указанный термоэлектрический модуль обеспечивает максимальный перепад температуры между холодной и горячей керамическими пластинами 68°С и максимальную холодопроизводительность 68 Вт. Количество термоэлементов в модуле - 127.
Недостатком известного устройства является то, что при установке миниатюрного электронного элемента, например лазерного полупроводникового кристалла, температуру которого необходимо поддерживать при заданной температуре, в центре холодной керамической пластины, выделяемая лазерным кристаллом теплота передается теплопроводностью холодной пластине по ее поверхности ко всем 127 веткам термоэлементов. Вследствие термического сопротивления керамики устанавливается градиент температуры по поверхности холодной керамической пластины, что увеличивает энергопотребление модуля и снижает его холодопроизводительность.
Вторым недостатком известного устройства является значительное термическое сопротивление на пути прохождения теплового потока высокой плотности от полупроводникового кристалла с незначительными геометрическими размерами, например 0,5×0,3×0,2 мм, через керамику с ограниченной теплопроводностью, в области, прилегающей к кристаллу. Это приводит к необходимости обеспечения повышенного перепада температуры между холодной и горячей пластинами для обеспечения заданной температуры кристалла и к соответствующему увеличению энергоспотребления.
Наиболее близким к предложенному по совокупности признаков и техническому результату является устройство-прототип, известное из статьи «Термоэлектрические модули на металлическом основании и устройства на их основе», напечатанной в журнале «Приборы», 2002 р., №11, с.16-17. Термоэлектрический модуль-прототип содержит термоэлементы, соединенные между собой с помощью контактных пластин в термоэлектрическую цепь, которые размещены между двумя несущими металлическими пластинами, что позволило повысить холодопроизводительность и эксплуатационную надежность термоэлектрического модуля, существенно расширить возможность конструкционных решений и ускорить в 2-4 раза время выхода на режим. Использование теплопроводных металлических пластин вместо керамических дало возможность увеличить максимальные геометрические размеры термоэлектрического модуля. Так, например, термоэлектрический модуль типа MD1-125-2,0/1,5 с металлическими пластинами имеет размеры 48×60×3,5 мм и обеспечивает максимальную холодопроизводительность 116,8 Вт, а максимальный перепад температур между холодной и горячей пластинами 71°С. Максимальний ток питания - 12,9 А, максимальное напряжение питания - 15,6 В.
Недостатком термоэлектрического модуля-прототипа есть ограниченные холодопроизводительность и максимальные геометрические размеры несущих металлических пластин, что обусловлено увеличением градиента температуры вдоль пластин при увеличении их длины и ширины (вследствие существующего термического сопротивления тонких металлических пластин) при размещении миниатюрного охлаждаемого электронного элемента в центре холодной пластины.
В основу заявляемого технического решения поставлена задача создать такой термоэлектрический модуль, который бы путем нового исполнения несущих пластин обеспечил повышение холодопроизводительности и расширение возможных конструктивных решений, в т.ч. увеличение размеров (длины и ширины) несущих пластин без увеличения градиента температуры вдоль них при размещении охлаждаемого электронного элемента а центре поверхности холодной пластины.
Поставленная цель достигается за счет того, что в термоэлектрическом модуле, содержащем термоэлементы, размещенные между несущими холодной и горячей пластинами, по меньшей мере одна из несущих пластин выполнена в виде тепловой трубы.
Сущность и принцип работы предложенного термоэлектрического модуля поясняются чертежами.
На фиг.1 приведен общий вид термоэлектрического модуля. На фиг.2 дан вертикальный разрез по линии А-А термоэлектрического модуля с холодной пластиной, выполненной в виде тепловой трубы. На фиг.3 изображен вертикальный разрез термоэлектрического модуля, в котором и холодная и горячая пластины выполнены в виде тепловой трубы.
Термоэлектрический модуль (см. фиг.1) содержит термоэлементы 1, соединенные между собой электропроводными контактными пластинками 2 в термоэлектрическую цепь, которые размещены между несущей холодной пластиной 3 и несущей горячей пластиной 4. К несущей холодной пластине 3 присоединен с обеспечением теплового контакта электронный элемент 5, например лазерный диод, температуру которого необходимо поддерживать в заданном температурном диапазоне, а к несущей горячей пластине 4 присоединен с обеспечением теплового контакта, например припаян, радиатор 6 для рассеивания теплоты в окружающую среду. Для обеспечения надежного присоединения электронного элемента к радиатору к внешней поверхности несущих пластин на их поверхность может быть нанесена металлизированная пленка и слой припоя. Для подсоединения к источнику тока термоэлектрический модуль содержит токовые выводы 7.
По меньшей мере одна несущая пластина, например холодная пластина 3, выполнена в виде тепловой трубы (см. фиг.2). При этом она может быть выполнена, например, из теплопроводной (бериллиевой) керамики, из алюминиевого сплава, меди и др. Тепловая труба состоит из полого герметичного предварительно отвакуумированного корпуса, на внутренней поверхности которого выполнен слой 8 капиллярного материала, например, в виде спеченных порошков или волокон, канавок, шероховатостей, сеток и др. Слой капиллярного материала может быть сформирован на внутренних поверхностях керамических пластин также с помощью воздействия лазерного излучения.
Канавки или поры слоя 8 капиллярного материала пропитаны жидким теплоносителем, например, этиловым спиртом, аммиаком, ацетоном и др.
При выполнении несущей горячей пластины в виде тепловой трубы (см. фиг.3) ее размеры (длина и/или ширина) могут быть выполнены значительно большими, чем зона контакта термоэлементов 1 с несущей горячей пластиной 4. Это дает возможность значительно развить теплорассеивающую поверхность радиатора 6. При этом токовые выводы 9 имеют выгнутую форму.
В других вариантах исполнения на холодной пластине 3 может быть установлено несколько электронных элементов, температуру которых необходимо поддерживать на заданном уровне.
Электропроводные контактные пластинки 2 для электрического соединения термоэлементов в термоэлектрическую цепь нанесены непосредственно на поверхностях керамических несущей холодной пластины 3 и несущей горячей пластины 4. При выполнении несущих холодной и горячей пластин из электропроводного материала (алюминиевого сплава, меди и др.) электропроводные контактные пластинки 2 нанесены на несущие пластины через слой электроизоляционного материала.
Термоэлектрический модуль работает следующим образом. Под влиянием теплоты, выделяемой в электронном элементе 5, жидкий теплоноситель в канавках или порах слоя 8 капиллярного материала на внутренней поверхности несущей холодной пластины 3 см. фиг.2, фиг.3) начинает испаряться (или кипеть). Температура насыщенного пара в зоне нагрева повышается и превышает температуру противоположной стенки несущей холодной пластины, которая находится в тепловом контакте с холодными спаями термоэлементов 1 и от них охлаждается.
Насыщенный пар конденсируется на внутренней холодной поверхности несущей пластины 3 и отдает ей скрытую теплоту парообразования. Конденсат под действием капиллярных сил по слою 8 капиллярного материала возвращается в зону нагрева, где установлен охлаждаемый электронный элемент. Цикл теплопередачи путем испарения-конденсации теплоносителя повторяется.
Давление насыщенного пара, а соответственно и температура, одинаковы во всех точках парового пространства внутри несущей пластины 3, благодаря чему, ее температура имеет одинаковое значение независимо от расстояния между охлаждаемым электронным элементом и любым термоэлементом модуля.
Теплота, выделенная при этом на поверхности несущей холодной пластины 3, контактирующей с термоэлементами 1, передается от холодных спаев термоэлементов к горячим спаям, а от последних - к контактной поверхности несущей горячей пластины 4. Затем теплопроводностью (при выполнении горячей пластины из сплошного материала, см. фиг.2) или с помощью испарительно-конденсационного цикла внутри несущей горячей пластины 4 (при выполнении ее в виде тепловой трубы, см. фиг.3), теплота передается внешней поверхности
несущей горячей пластины и радиатору 6, находящемуся в контакте с ней. Радиатор 6 рассеивает теплоту конвекцией и частично излучением в окружающую среду, например, в воздух.
Благодаря тому, что передача теплоты на наиболее теплонагруженном участке (от электронного элемента 5 к холодной пластине 3) осуществляется путем высокоэффективного замкнутого испарительно-конденсационного цикла, достигается снижение термического сопротивления и перепада температуры в зоне нагрева. Благодаря этому необходим меньший перепад температуры между несущими холодной и горячей пластинами, что позволяет повысить холодопроизводительность термоэлектрического модуля. Высокий коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на внутренней поверхности несущей горячей пластины 4, контактирующей с горячими спаями термоэлементов 1, также содействует повышению холоде-производительности термоэлектрического модуля.
Поддержание температуры электронного элемента на заданном уровне при изменении параметров окружающего воздуха обеспечивается благодаря обратной связи известными методами. Например, для поддержания заданной температуры лазерного диода и стабилизации ее в заданных пределах используют обратную связь с блоком управления и питания термоэлектрического модуля через фотодиод обратной связи.
Благодаря низкой инерционности процессов теплопередачи путем испарительно-конденсационного цикла уменьшается время выхода устройства на рабочий режим, что расширяет функциональные возможности устройства.
Отвод теплоты путем испарительно-конденсационного цикла с малым термическим сопротивлением на наиболее теплонагруженном участке снижает температуру электронного элемента и повышает его надежность.
Таким образом, предложенный термоэлектрический модуль обеспечивает повышение холодопроизводительности и расширение возможных конструктивных решений, в т.ч. увеличения размеров (длины и ширины) несущих пластин без увеличения градиента температуры вдоль них при увеличении размеров пластин. Заявленная конструкция позволяет размещать один или несколько охлаждаемых электронных элементов как в центре поверхности холодной пластины, так и в любом другом месте на ее поверхности, а также выполнять горячую пластину и радиатор на ней значительно больших размеров, чем в прототипе, что расширяет конструктивные возможности использования заявленного термоэлектрического модуля.
Предложенный термоэлектрический модуль является новым, промышленно пригодным и имеет изобретательский уровень.