ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к термоэлектрическим устройствам, работа которых основана на эффектах Пельтье и Зеебека, и может найти широкое применение в нагревательных и охлаждающих устройствах, а также в оборудовании для кондиционирования воздуха, в измерительной и медицинской технике.
В настоящее время известны термоэлектрические модули с различными средствами компенсации термических напряжений.
Известен термоэлектрический модуль, в котором негативное влияние термоциклирования на его эксплуатационные характеристики частично компенсируется за счет использования специального теплоконтактного соединения между теплопроводами и коммутационными шинами (токопроводами), которые соединены с полупроводниковыми ветвями n- и p-типов проводимости. В качестве такого соединения использован компаунд высокотеплопроводной силиконовой резины. Толщина слоя компаунда выбирается в диапазоне от 5 до 30 мкм (RU 2117362 C1, опубликован 10.08.1998)
Данное конструктивное выполнение позволяет скомпенсировать термомеханические напряжения, вследствие чего в процессе термоциклирования обеспечивается свободная деформация коммутационной шины (токопровода) в слое компаунда. Однако известное техническое решение не позволяет существенно увеличить ресурс устройства из-за температурной деструкции компаунда при длительном термоциклировании в процессе эксплуатации изделия.
Наиболее близким к предложенному является термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, теплопроводы с находящимся на их внутренней стороне теплопроводящими электроизолирующими слоями, жестко сцепленными с теплопроводами, между которыми расположена активная структура, и токовые выводы, причем металлические теплопроводы и активная структура соединены между собой с помощью, по меньшей мере, одного крепежного элемента и, по меньшей мере, одного упругого элемента, размещенного между опорной частью крепежного элемента и опорной поверхностью металлического теплопровода (RU 54464 U, опуб. 27.06.2006).
В данном термоэлектрическом модуле упругие элементы использованы в качестве компенсаторов термических напряжений.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции модуля за счет исключения из нее средств механического крепежа с упругими элементами при одновременном обеспечении отсутствия разрушения элементов модуля при температурных изменениях.
Технический результат достигается тем, что термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, токовые выводы теплопроводы, между которыми расположена активная структура, при этом, согласно предложению, активная структура не закреплена между теплопроводов механически и имеет возможность перемещения относительно электроизолирующих слоев теплопроводов.
Сами теплопроводы могут быть соединены между собой клеящим компаундом с теплопроводностью, меньшей теплопроводности полупроводникового материала либо по периметру, либо внутри активной структуры, либо и по периметру, и внутри активной структуры.
Модуль может содержать расположенные между теплопроводами армирующие элементы в виде стержней, и/или уголков, и/или рамок, а также в виде гибких волокон, и/или нитей, и/или трубок.
При этом армирующие элементы могут быть механически прикреплены к обоим теплопроводам, или только к одному из теплопроводов, или свободны от прикрепления к теплопроводам.
Кроме того, по меньшей мере, часть армирующих элементов может образовывать, по меньшей мере, одну защелку, соединяющую при закрывании теплопроводы между собой.
Токовые выводы могут иметь зигзагообразную форму на концах, примыкающих к активной структуре, причем зигзагообразная часть огибает элементы модуля таким образом, что при приложении механической нагрузки к свободному концу токового вывода нагрузка не передается на другой, ближайший к активной структуре, конец токового вывода.
Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 показан вариант исполнения предложенного модуля с рамкой, находящегося в свободном состоянии, на фиг.2 - то же, в собранном в термоэлектрической системе состоянии, на фиг.3 - вариант исполнения модуля с зигзагообразными токовыми выводами
Термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы 1 p-типа и n-типа проводимости, коммутационные токопроводы 2, электрически соединяющие полупроводниковые элементы 1 между собой и создающие в совокупности с ними так называемую «активную структуру» термоэлектрического модуля, и металлические теплопроводы 3, между которых расположена активная структура.
На внутренних поверхностях теплопроводов 3, касающихся активной структуры, находится электроизолирующий слой 4 с хорошей теплопроводностью, жестко сцепленный с теплопроводом 3 и допускающий при температурных изменениях перемещение электроизолирующего слоя 4 относительно активной структуры без их разрушения.
Теплопроводы 3 могут быть выполненными также из неэлектропроводных керамики, или стекла, или пластмассы. При этом дополнительный электроизолирующий слой не требуется.
Теплопроводы 3 могут быть соединены между собой по периметру и/или внутри «активной структуры» с помощью клеящего компаунда (на чертежах не показано), обладающего низкой теплопроводностью, что обеспечивает единство конструкции модуля. Для увеличения прочности модуля могут использоваться армирующие элементы в виде стержней, уголков и других форм, включая замкнутые по периметру рамки, а также волокон и нитей. Стержни и уголки могут располагаться между рядами полупроводниковых элементов 1. Рамки и уголки могут располагаться по периметру теплопроводов 3. При этом армирующие элементы могут быть механически прикреплены (например, приклеены или припаяны) к обоим теплопроводам, либо только к одному из теплопроводов, либо свободны от прикрепления к теплопроводам. Кроме того, армирующие элементы могут соединять теплопроводы 3 друг с другом. Например, некоторые из армирующих элементов могу образовывать защелку, которая при закрывании механически соединяет теплопроводы 3 друг с другом (на чертежах не показано).
На фиг.1 и 2 показан вариант модуля, в котором теплопроводы 3 скреплены приклеенной или припаянной к ним рамкой 5. «Активная структура» расположена между теплопроводами 3 модуля и рамкой 5 свободно и не прикреплена к ним. На фиг.1 показано свободное состояние модуля, когда теплопроводы 3 не прижаты к теплоприемникам 6 термоэлектрической системы.
В рабочем положении термоэлектрической системы ее теплоприемники 6 прижимаются к теплопроводам 3, как показано на фиг.2. В этом случае рамка 5 модуля или клеевой слой на рамке 5 сжимается, и имеющиеся внутри модуля зазоры между теплопроводами 3 и теплоприемниками 6 выбираются, что обеспечивает хороший тепловой контакт между ними.
При этом, в отличие от ситуации на фиг.1, теплопроводы 3 и коммутационные токопроводы 2 модуля могут смещаться друг относительно друга, предохраняя полупроводниковые элементы 1 р-типа и n-типа проводимости от избыточных термических напряжений.
В известных термоэлектрических модулях полупроводниковые элементы своими торцами через токопроводы припаяны или приклеены к теплопроводам и к полупроводниковым элементам, последние подвергаются сложной температурной деформации и механическим напряжениям, приводящим к отказам модулей.
Токовые выводы 7 модуля предпочтительно имеют зигзагообразную форму (см. фиг.3), благодаря чему при приложении механической нагрузки к свободному концу токового вывода 7 она не передается на другой, ближайший к «активной структуре», конец этого токового вывода 7, что исключает риск случайных повреждений «активной структуры».
Как можно видеть на схематическом изображении, один конец электрического зигзагообразного вывода 7 припаян к коммутационному токопроводу 2, а второй - свободен для подключения в термоэлектрическую систему. При этом токовый вывод 2 огибает край рамки 6 и край перекрывающего элемента 8 рамки, принимая зигзагообразную форму.
Полезная модель/изобретение позволяет упростить и удешевить конструкцию модуля, отказавшись от пайки «активной структуры» к теплопроводам и от использования специального механического крепежа с тарированными упругими элементами. Отсутствие жесткого сцепления между «активной структурой» и теплопроводами, а также специальная зигзагообразная форма токовых выводов позволяет свести к возможному минимуму влияние термических механических напряжений в модуле.