ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к термоэлектрическим модулям для преобразования тепловой энергии в электрическую (термоэлектрические генераторы), а также к термоэлектрическим насосам, вырабатывающим холод и тепло при пропускании через них электрического тока.
Настоящая полезная модель может быть использована для получения электрической энергии как генераторный термоэлектрический модуль в термоэлектрических генераторах, в том числе в источниках питания различного назначения, а также как термоэлектрический модуль охлаждения или нагрева в приборостроении, электронике, торговле, в промышленных и бытовых кондиционерах и.т.п.
Известны термоэлектрические модули, содержащие полупроводниковые ветви n- и p-типа проводимости, средства электрической коммутации полупроводниковых ветвей, и внешние электрические выводы для соединения модуля со внешней электрической цепью.
Они описаны в патентах US 4971632, US 497973, а также в каталогах и проспектах многочисленных фирм, выпускающих термоэлектрические модули, например Melcor, HiZ (США), Комацу (Япония).
Наиболее близким к полезной модели является термоэлектрический модуль, описанный в патенте US 4497973.
Такой известный термоэлектрический модуль, как и другие перечисленные выше известные модули, имеют следующие недостатки:
1. Как правило, в таких модулях используются две теплопроводящие керамические пластины, жестко соединенные с полупроводниковыми ветвями, например при помощи пайки. Пластины при работе модуля находятся при разных температурах, а вдоль полупроводниковых ветвей имеется перепад температур. Поэтому в модуле возникают значительные механические напряжения из-за теплового расширения, если пластины фиксированы, или деформации, если в конструкции предусмотрена возможность подвижного соединения пластин с другими деталями модуля, например через теплопроводящую пасту. Эти механические напряжения и деформации имеют место в модуле даже при изотермических условиях. Они возникают в модуле при его изготовлении в условиях повышенных температур и последующем их снижении до температур, при которых модуль сохраняется или используется.
Эти механические напряжения и деформации приводят к отказам известных модулей и ограничивают их надежность.
2. Известны модули, где имеется одна жесткая теплопроводящая керамическая пластина, как например в одном из вариантов, описанном в патенте US US497973. В этом случае снижаются механические напряжения и деформации. Однако в таком модуле керамическая пластина имеет жесткий контакт с металлическими коммутационными площадками, которые, например, вжигают в керамическую пластину. Из-за теплового расширения керамической пластины и металла коммутационных площадок также возникают механические напряжения и деформации, приводящие к отказам и снижению надежности.
3. В известных модулях, где жесткая теплопроводящая керамическая пластина отсутствует, как например в еще одном из вариантов, описанном в патенте US 497973, также не решена задача обеспечения надежности. В этом случае разрушающие усилия возникают из-за различия в коэффициентах теплового расширения полупроводниковых ветвей и металлических коммутационных пластин, имеющих жесткое соединение с полупроводниковыми ветвями. Такое жесткое соединение часто выполняют припоем, однако толщина припоя плохо контролируема. При недостаточной толщине такой контакт слишком жесткий и не компенсирует деформацию, а при избыточной толщине припоя возрастает электрическое сопротивление соединения, что ухудшает эффективность модуля.
В основу полезной модели поставлена задача создания термоэлектрического модуля с высокой надежностью, более технологичного в изготовлении и удобного в использовании.
Для этого в термоэлектрическом модуле, содержащем
а) полупроводниковые ветви n- и p-типа проводимости, каждая ветвь имеет две противоположные стороны - горячую сторону и холодную сторону, имеющие при работе модуля различные температуры горячей и холодной сторон,
б) средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей,
в) средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей,
г) внешние электрические выводы для соединения модуля со внешней электрической цепью,
средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей содержат множество электрических проводников, на горячих сторонах полупроводниковых ветвей имеются пазы, указанные проводники имеют участки, расположенные внутри указанных пазов, а горячие стороны полупроводниковых ветвей и участки проводников, расположенные внутри указанных пазов покрыты электропроводящим слоем, который частично заполняет пазы и электрически соединяет полупроводниковые ветви с указанными проводниками.
В конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей также содержат множество электрических проводников, на холодных сторонах полупроводниковых ветвей имеются пазы, указанные проводники имеют участки, расположенные внутри указанных пазов, а холодные стороны полупроводниковых ветвей и участки проводников, расположенные внутри указанных пазов покрыты электропроводящим слоем, который частично заполняет пазы и электрически соединяет полупроводниковые ветви с указанными проводниками.
В конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, электропроводящий слой выполнен в виде многослойного гальванического покрытия, содержащего антидиффузионные и металлические слои.
В других конкретных случаях выполнения термоэлектрический модуль содержит по крайней мере одну керамическую пластину, керамическая пластина имеет по крайней мере одну металлизированую площадку, средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей, в отличие от средств коммутации горячих сторон, содержат указанные металлизированные площадки и имеют слои припоя, электрически соединяющие металлизированные площадки и холодные стороны полупроводниковых ветвей.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит множество указанных керамических пластин, на каждой пластине имеется единственная металлизированная площадка, соединенная слоем припоя с двумя полупроводниковыми ветвями.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит керамические пластины, расположенные на теплопроводящей пластине, выполненной из металла или также из керамики с высокой теплопроводностью.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, полупроводниковые ветви выполнены составными и имеют по крайней мере две части из разных материалов, смежные части составной полупроводниковой ветви находятся в электрическом контакте и имеют пазы, в которых находятся металлические проводники, электрический контакт смежных частей составной полупроводниковой ветви выполнен в виде многослойного гальванического покрытия, содержащего антидиффузионные, электропроводящие слои и слой припоя.
В конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, указанные электрические проводники средств коммутации полупроводниковых ветвей содержат две группы электрических проводников,
электрические проводники первой группы соединяют полупроводниковые ветви последовательно в цепочки,
каждая последовательная цепочка ветвей соединена с внешними электрическими выводами модуля,
электрические проводники второй группы осуществляют параллельные электрические соединения между ветвями последовательных цепочек,
электрические проводники первой группы расположены вдоль одного направления в пространстве, а электрические проводники второй группы расположены вдоль другого направления в пространстве, два этих направления не параллельны.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит не менее двух идентичных блоков, каждый из блоков содержит полупроводниковые ветви, средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей и средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит герметичный корпус, имеющий по крайней мере два герметично соединенных элемента корпуса, герметичный корпус содержит демпфер термических деформаций, выполненный из упругого материала и соединяющий элементы герметичного корпуса.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, демпфер термических деформаций выполнен в виде V-образного ребра.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, демпфер термических деформаций выполнен в виде сильфона.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, внутри герметичного корпуса имеется инертный газ и частицы твердого теплоизоляционного материала.
На чертежах показано:
На Фиг.1 - общий вид термоэлектрического модуля согласно полезной модели.
На Фиг.2, 3, 4 - средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей, а именно:
на Фиг.2 - общий вид средств электрической коммутации горячих сторон двух полупроводниковых ветвей;
на Фиг.3 - поперечное сечение участка полупроводниковой ветви в месте ее соединения со средствами электрической коммутации горячих сторон;
на Фиг.4 - поперечное сечение участка полупроводниковой ветви в месте ее соединения со средствами электрической коммутации горячих сторон в увеличенном масштабе.
На Фиг.5 - поперечное сечение участка полупроводниковой ветви в месте ее соединения со средствами электрической коммутации холодных сторон.
На Фиг.6 - поперечное сечение контакта двух частей составной полупроводниковой ветви.
На Фиг.7 - схема взаимного расположения в пространстве двух групп электрических проводников средств коммутации полупроводниковых ветвей.
На Фиг.8 - общий вид цепочки последовательно соединенных полупроводниковых ветвей.
На Фиг.9, 10, 11, 12, 13 - электрические схемы коммутации термоэлектрического модуля.
На Фиг.14 - общий вид варианта выполнения полезной модели с идентичными блоками.
На Фиг.15-19 - вариант выполнения полезной модели с герметичным корпусом, а именно:
на Фиг.15 - общий вид корпуса термоэлектрического модуля;
на Фиг.16 - общий вид термоэлектрического модуля с частичным разрезом;
на Фиг.17 - схема одного из вариантов выполнения демпфера термических деформаций герметичного корпуса.
Термоэлектрический модуль, согласно полезной модели, как это показано на Фиг.1, состоит из полупроводниковых ветвей 1 n- и p-типа проводимости, каждая ветвь имеет две противоположные стороны - горячую сторону 2 и холодную сторону 3, имеющие при работе модуля различные температуры горячей и холодной сторон.
Модуль содержит также средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей 4, и средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей 5.
Внешние электрические выводы 6 предназначены для соединения модуля со внешней электрической цепью.
Средства 4 электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей содержат множество электрических проводников 7, показанных на Фиг.2, 3, 4, на горячих сторонах полупроводниковых ветвей имеются пазы 8, указанные проводники имеют участки 9, расположенные внутри указанных пазов, а горячие стороны полупроводниковых ветвей и участки 9 проводников, расположенные внутри указанных пазов 8 и покрыты электропроводящим слоем 10, который частично заполняет пазы 8 и электрически соединяет полупроводниковые ветви 1 с указанными проводниками 7.
В конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, показанном на Фиг.4, электропроводящий слой 10 выполнен в виде многослойного гальванического покрытия, содержащего антидиффузионные и металлические слои 11, 12, 13 а также защитный металлический слой 14.
Средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей в конкретных вариантах выполнения полезной модели могут быть выполнены аналогично средствам электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей. В других выриантах конкретного выполнения полезной модели, как это показано на Фиг.5, средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей содержат коммутационную металлическую пластину 15 и многослойное электропроводящее покрытие 16, состоящее из антидиффузионных слоев 17, 18 и металлических слоев 19, 20. Покрытие 16 и коммутационная пластина 15 соединены слоем мягкого припоя 21. В этом слое помещаются проводники 22. Проводники 22 выполнены из металла, например меди. Их толщина при пайке припоем 21 задает толщину слоя припоя 21. В зависимости от конкретного выполнения толщина проводников 22 выбирается, например, в пределах 50-200 мкм.
В конкретных случаях выполнения полезной модели, показанных на Фиг.1 и 5, модуль содержит по крайней мере одну керамическую пластину 23. Керамическая пластина 23 имеет по крайней мере одну металлизированую площадку 24, средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей содержат указанные металлизированные площадки 24 и имеют слои припоя 21, 25 электрически соединяющие металлизированные площадки 24 и холодные стороны 3 полупроводниковых ветвей 1.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит множество указанных керамических пластин, на каждой пластине имеется единственная металлизированная площадка 24, соединенная слоями припоя 21, 25 с двумя полупроводниковыми ветвями.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит керамические пластины 23, расположенные на теплопроводящей пластине 26, выполненной из металла или также из керамики с высокой теплопроводностью, как это показано на Фиг.1.
Полупроводниковые ветви 1 в конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, выполнены составными и имеют по крайней мере две части 27 и 28 из разных материалов, как это показано на Фиг.6. Смежные части 27 и 28 составной полупроводниковой ветви 1 находятся в электрическом контакте и имеют пазы 29, в которых находятся металлические проводники 30, электрический контакт смежных частей составной полупроводниковой ветви выполнен в виде многослойного гальванического покрытия 31, содержащего антидиффузионные, электропроводящие слои и слой припоя. Многослойное покрытие 31 выполняется аналогично описанному выше многослойному покрытию 10.
В конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, (Фиг.7) указанные выше электрические проводники средств коммутации 4, 5 полупроводниковых ветвей 1 содержат две группы электрических проводников 7 и 22,
электрические проводники 7 первой группы соединяют полупроводниковые ветви последовательно в цепочки 32 (Фиг.8),
каждая последовательная цепочка ветвей 32 соединена с внешними электрическими выводами модуля 6,
электрические проводники 22 второй группы (Фиг.7) осуществляют параллельные электрические соединения между ветвями 1 последовательных цепочек 32 (Фиг.8);
электрические проводники 7 первой группы расположены вдоль одного направления А в пространстве, а электрические проводники 22 второй группы расположены вдоль другого направления в пространстве, два этих направления А и В не параллельны.
Две группы электрических проводников 7 и 22 позволяют осуществлять разнообразные электрические схемы соединения в термоэлектрическом модуле, показанные на Фиг.9-13, в том числе менять рабочий ток и напряжение модуля, получать, не изменяя однотипную технологию изготовления модуля, серийные ряды модулей с необходимыми потребителю электрическими и надежностными параметрами. Из Фиг.12-13 видно, что имеется возможность осуществлять электрические схемы со многими независимыми и гальванически развязанными группами последовательных цепочек 32.
В варианте конкретного выполнения модуля, показанном на Фиг.14, он содержит не менее двух идентичных блоков 33, каждый из блоков 33 содержит полупроводниковые ветви 1, средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей 4 и средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей 5.
В варианте конкретного выполнения модуля, показанном на Фиг.15-19, он содержит герметичный корпус 34, имеющий по крайней мере два герметично соединенных элемента корпуса 35, 36, а именно крышку 35 и дно 36. В некоторых конкретных вариантах выполнения полезной модели крышка 35 и дно 36 корпуса 34 могут иметь одинаковые форму и размеры, в других вариантах могут быть разной формы и размеров, как например, показано на Фиг.15 -19, где высота крышки 35 больше высоты дна 36. Крышка 35 и дно 36 корпуса 34 могут быть выполнены из металла, например из нержавеющей стали толщиной 50-150 мкм. Крышка 35 и дно 36 корпуса 34 герметично соединены между собой демпфером термических деформаций 37.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, демпфер термических деформаций 37 выполнен в виде V-образного ребра 38, как это более подробно показано на Фиг.17. Как видно из Фиг.18, ребро 38 образовано краями 39, 40 крышки 35 и дна 36. Ребро 38 содержит герметичный шов 41, выполненный, например, путем сварки.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, демпфер термических деформаций может быть выполнен в виде сильфона.
В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, внутри герметичного корпуса 34 имеется инертный газ и частицы твердого теплоизоляционного материала 42.
В варианте конкретного выполнения модуля, показанном на Фиг.15 -17, две герметично соединенные части 35, 36 корпуса 34 имеют форму срезанных четырехгранных пирамид. Высота пирамиды крышки 35 больше высоты пирамиды дна 36. При этом внешние электрические выводы 43 размещены на боковой грани пирамиды крышки 35, имеющей большую высоту, чем дно 36. Это позволяет разместить внешние электрические выводы 43 в пределах габаритных размеров модуля, как показано на Фиг.17.
В другом варианте выполнения полезной модели, фрагмент которого показано на Фиг.19, внешние электрические выводы 43 модуля выведены через герметичный шов 41 V-образного ребра 38.
Физические принципы работы предлагаемой полезной модели такие же, как и принципы работы известных термоэлектрических модулей в режиме генерирования электрической энергии, в режимах термоэлектрического охлаждения и нагрева. При наличии разности температур горячей 2 и холодной 3 сторон полупроводниковых ветвей 1 от внешних источников тепла и холода модуль генерирует ЭДС за счет известного эффекта Зеебека, а при пропускании через модуль постоянного электрического тока он работает как тепловой насос Пельтье, отбирая тепло от холодной стороны 3 и отдавая его горячей стороне 2.
Изложенные выше отличительные особенности модуля повышают при его работе надежность, технологичность изготовления и удобство использования:
1) В модуле сведены к минимуму возможности для возникновения механических усилий при его работе:
а) Проводники 7 демпфируют механические напряжения на горячей стороне 2. При этом они демпфируют их не только вдоль направления А, но и во всей плоскости горячей стороны за счет своей гибкости.
в) На холодной стороне механические напряжения демпфируются слоем мягкого припоя 20, толщина которого выбирается достаточной для такого демпфирования.
2) Параллельные соединения при помощи проводников 20 на холодной стороне 3 и на внешних выводах 6 существенно повышают надежность при задаваемых потребителем критериях отказов. Обычно такие критерии формулируют как некоторое допустимое снижение параметров модуля за время работы или эксплуатации. Известно, что в схемах с параллельными соединениями даже полный отказ некоторых ветвей 1 не приводит к отказу всего модуля, а лишь снижает эти параметры. Параллельные соединения при помощи проводников 20 на холодной стороне 3 и на внешних выводах 6 дают возможность реализации таких схем, как это описано выше и показано на чертежах Фиг.9-11. В отличие от известных термоэлектрических модулей настоящая полезная модель позволяет в таких схемах осуществлять параллельное соединение на уровне ветвей. Известные термоэлектрические модули как правило имеют лишь 2 внешних вывода, поэтому для повышения надежности соединяют параллельно отдельные модули, внутри которых нет параллельных соединений. Настоящая полезная модель позволяет осуществлять параллельное соединение на многих уровнях - на уровне самих модулей, на уровне блоков внутри модуля, на уровне цепочек внутри блоков, на уровне ветвей внутри цепочек. При этом чем на более низком уровне выполнены параллельные соединения, тем большее увеличение надежности они обеспечивают.
Результаты испытаний термоэлектрического модуля, изготовленного согласно полезной модели, в режиме генератора таковы:
Температура горячей стороны при продолжительной работе - 250°С и ниже.
Допустимый перегрев горячей стороны 300°С - 350°С.
Температура холодной стороны при продолжительной работе - 80°С и ниже.
Допустимый перегрев горячей стороны 120°С.
Число циклов включено- выключено без ухудшения параметров - не менее 20000.
Повышение срока службы в сравнении с известными модулями - от 80 до 1000 раз в зависимости от числа примененных параллельных соединений.