ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Область техники
Полезная модель относится к термоэлектрическим устройствам, работа которых основана на эффектах Пельтье и Зеебека. Такие термоэлектрические устройства могут применяться как в качестве охладителей или нагревателей, так и в качестве преобразователей тепловой энергии в электрическую.
Уровень техники
В настоящее время известны термоэлектрические устройства различного назначения. Принцип работы таких устройств основан или на эффекте Зеебека, при необходимости прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, или на эффекте Пельтье в случае использования электрической энергии для одновременного охлаждения одной среды и нагрева другой среды.
Так, например, известно термоэлектрическое устройство, описанное в патенте RU 2142177 С1 (МПК-6; H 01 L 35/02, H 01 L 35/32; опубликован 27.11.1999). Известное устройство включает в свой состав полупроводниковые элементы (ветви) с р- и n-типами проводимости, коммутационные шины (токопроводы), токоподводы, металлические теплопроводы, выполненные из алюминия или меди, и средство компенсации термических напряжений, которое выполняется в виде слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала.
Компенсационный эластичный слой в известном техническом решении размещают между коммутационными шинами и теплопроводами. Для повышения прочности теплопроводов и эффективного снижения термических напряжений эластичный материал должен удовлетворять определенным требованиям: коэффициент теплопроводности материала должен быть не менее 0,3 Вт/м·К, величина упругой деформации - не менее 30%, модуль Юнга - не более 95 МПа.
Кроме того, для компенсации термических напряжений в теплопроводах выполняются сквозные прорези либо теснения, заполняемые эластичным материалом. Поверхность теплопроводов со стороны компенсационного слоя покрывается слоем диэлектрического материала, например, окисью алюминия толщиной от 3 до 150 мкм.
Несмотря на достигнутое повышение холодопроизводительности известного модуля и, вследствие этого, расширение области его применения, использование эластичного компенсационного материала не обеспечивает требуемый ресурс термоэлектрического устройства из-за негативного влияния длительного термоциклирования на характеристики эластичных материалов (силиконовых резин и герметиков с теплопроводящими добавками). Следует также отметить, что выполнение прорезей и тиснений на поверхности теплопроводов, а также нанесение эластичного покрытия на теплопроводы усложняет конструкцию устройства и технологию его изготовления в целом.
В другом известном техническом решении (см. патент RU 2117362 С1; МПК-6; H 01 L 35/28, опубликован 10.08.1998) негативное влияние термоциклирования на эксплуатационные характеристики термоэлектрического модуля частично компенсируется за счет использования специального теплоконтактного соединения между теплопроводами и коммутационными шинами (токопроводами), которые соединены с полупроводниковыми ветвями n- и р-типов проводимости. В качестве такого теплового контакта применяется компаунд высокотелопроводной силиконовой резины. Толщина слоя компаунда выбирается в диапазоне от 5 до 30 мкм.
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.
Кроме того, для обеспечения требуемого уровня теплопроводности теплового контакта необходимо использовать ультрадисперсные наполнители компаунда: порошки серебра, никеля, кремния и т.п. Теплопроводы в известном устройстве должны выполняться из материала с высокой теплопроводностью с электроизоляционным покрытием на поверхности, например из алюминия с покрытием из окиси алюминия.
Перечисленные требования к конструкции известного термоэлектрического устройства существенно усложняют технологию изготовления модуля и увеличивают стоимость продукции.
В другом техническом решении, представленном в патенте RU 2158988 С1 (МПК-7; H 01 L 35/30; опубликован 10.11.2000), используется специальное теплоконтактное электроизолирующее средство для соединения коммутационных
токопроводов с теплопроводами. Такое средство выполняется в виде слоя теплопроводного электроизоляционного полимерного материала, в частности из полиимида. Данное устройство также имеет ограничения по ресурсу из-за температурной деструкции полимерного материала.
Другим аналогом полезной модели является термоэлектрический модуль, конструкция которого раскрыта в патенте US 5409547 (МПК-6; H 01 L 35/28; опубликован 25.04.1995). Известный модуль включает в свой состав полупроводниковые элементы (ветви) р-типа и n-типа проводимости, коммутационные токопроводы (коммутационные площадки), контактирующие с торцевыми поверхностями полупроводниковых элементов, и металлические теплопроводы, соединенные коммутационньми токопроводами.
В целях исключения влияния термоциклирования на эксплуатационные характеристики модуля коммутационные токопроводы соединены с теплопроводом чрез слой силиконовой пасты, обладающей высокой теплопроводностью. Слой силиконовой пасты с металлическими наполнителями (в виде ультрадисперсного порошка) позволяет в известном техническом решении компенсировать термические деформации коммутационных токопроводов и теплопроводов. Однако слой силиконовой пасты не обеспечивает второй важной функции теплоконтактного средства - электроизоляции коммутационных токопроводов относительно теплопроводов. Для выполнения этой функции используется тонкий изолирующий слой окиси алюминия, создаваемый на поверхностях теплопроводов, контактирующих с коммутационными токопроводами. Такой изолирующий слой создается методом анодирования. Толщина слоя составляет 3-20 мкм.
В случае использования медных теплопроводов наиболее предпочтительным считается применение изолирующего слоя в виде неорганического состава, включающего оксиды кремния алюминия, и хрома и т.д. Толщина электроизолирующего слоя в этом случае составляет 10÷50 мкм.
Известные термоэлектрические модули имеют ограниченные эксплуатационные возможности и сложны в изготовлении. Данные недостатки обусловлены необходимостью выполнения средства теплового контакта в виде двух слоев (покрытий), одновременно выполняющих две различные функции: электроизоляцию и высокую теплопроводность в зоне контакта элементов конструкции модуля. При этом первый слой, выполняемый из силиконовой резины или пасты, имеет ограниченный
температурный диапазон работоспособности, а второй - электропроводящий слой существенно ограничивает теплопроводность в зоне контакта.
Наиболее близким аналогом полезной модели является термоэлектрический модуль, описанный в патенте на полезную модель RU 33462 (МПК-7: H 01 L 35/02, опубликован 20.10.2003). Известный термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы р-типа и n-типа проводимости, коммутационные токопроводы, контактирующие с торцевыми частями полупроводниковых элементов, и металлические теплопроводы, соединенные с коммутационными токопроводами.
В качестве теплоконтактных электроизолирующих средств соединения коммутационных токопроводов с теплопроводами используется слой окиси металла, в частности окиси алюминия, из которого изготовлен теплопровод. Слой окиси алюминия образован в поверхностном слое теплопровода методом микродугового оксидирования поверхности теплопровода. Толщина слоя окиси алюминия преимущественно составляет от 20 до 200 мкм.
Сущность процесса микродугового оксидирования заключается в электрохимическом окислении поверхностного слоя металлических изделий в сочетании с электроразрядными явлениями на границе анод - электролит. Процесс проводится при напряжениях до 1000 В и пульсирующем с частотой 50 Гц токе положительной и переменной полярности, который протекает между электродами. Благодаря этому на поверхности изделия образуется прочный и твердый керамический слой оксида металла толщиной 0,05÷3 мм. Полученное покрытие представляет собой композиционный материал с участками высокотвердой фазы в матрице менее твердых составляющих. При этом оксидный слой металла образуется непосредственно в самом металле, что предопределяет высокие адгезионные свойства покрытия.
2
3
Важной особенностью керамического слоя, полученного в поверхностном слое теплопровода методом микродугового оксидирования, в отличие от традиционно используемых в термоэлектрических модулях керамик (АlО), полученных, например, методом анодирования, является изотропность теплофизических свойств и высокие прочностные характеристики полученного слоя.
Использование в термоэлектрических устройствах сочетания термических, электрических и прочностных характеристик покрытия, получаемого методом микродугового оксидирования, позволяет расширить эксплуатационные возможности термоэлектрического модуля, увеличить ресурс и повыть надежность модуля.
Таким образом, отличительной особенностью известного аналога является использование в качестве электроизолирующего теплоконтактного средства между теплопроводом и полупроводниковыми элементами слоя керамики, обладающей следующими полезными свойствами:
- высокой теплопроводностью в условиях значительных тепловых потоков и высоких скоростей изменения потоков;
- изотропностью теплопроводности;
- высокой стойкостью к термоциклированию в условиях реверсивности тепловых потоков;
- высокой электрической прочностью;
- высокими адгезионными свойствами по отношению к электропроводящему пленочному покрытию, применяемому для пайки токопроводящих шин (коммутационных токопроводов).
Однако, несмотря на перечисленные выше преимущества, известный термоэлектрический модуль достаточно сложен в изготовлении и эксплуатации вследствие того, что соединение теплопроводов с образованными на их поверхности слоями керамики с коммутационными токопроводами термоэлектрического устройства осуществляется методом пайки. В случае необходимости замены неисправного полупроводникового элемента требуется демонтировать термоэлектрический модуль и распаять соединение коммутационных токопроводов с теплопроводами. После этого возможна замена вышедшего из строя полупроводниковго элемента и последующая пайка соединения токопроводов с теплопроводами.
Раскрытие полезной модели
Полезная модель направлена на упрощение технологии сборки и демонтажа термоэлектрического модуля.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, заключается в упрощении и удешевлении технологии изготовления модуля и повышении его ремонтопригодности за счет обеспечения возможности быстрой замены вышедших из строя полупроводниковых элементов в процессе эксплуатации термоэлектрического модуля.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается при использовании термоэлектрического модуля, содержащего полупроводниковые элементы р-типа и n-типа проводимости, коммутационные токопроводы,
контактирующие с торцевыми частями полупроводниковых элементов, металлические теплопроводы, соединенные с коммутационными токопроводами, и теплоконтактные электроизолирующие средства соединения коммутационных токопроводов с теплопроводами.
Теплоконтактные электроизолирующие средства выполняются в виде слоев окиси металла, из которого изготовлен теплопровод. Слой окиси металла создается в поверхностном слое теплопровода методом микродугового оксидирования поверхности теплопровода. В данном случае метод получения покрытия характеризует требуемые физико-химические характеристики используемого материала.
Кроме того, согласно патентуемой полезной модели, металлические теплопроводы и полупроводниковые элементы с коммутационными токопроводами 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.
Применение в конструкции модуля вместо двух паяных соединений теплопроводов с коммутационными токопроводами крепежных элементов совместно с упругими элементами, позволяющими компенсировать термомеханические напряжения и деформации элементов конструкции термоэлектрического модуля в процессе его эксплуатации, существенно сокращает затраты на сборку модуля и замену дефектных полупроводниковых элементов без полной разборки модуля.
Следует отметить, что в качестве крепежных элементов могут применяться как разъемные крепежные элементы, с резьбовыми соединениями или в виде разъемных зажимов, так неразъемные крепежные элементы, выполненные, например, в виде легкосъемных заклепок или капроновых нитей.
2
3
В предпочтительном варианте выполнения модуля в качестве металла, из которого выполнен теплопровод, используется алюминий. В этом случае при микродуговом оксидировании поверхностного слоя теплопровода образуется слой керамики АlО со значительным содержанием γ-фазы. Полученный слой керамики обладает высокими электроизолирующими и теплопроводящими свойствами.
Толщина слоя окиси металла, применяемого в качестве теплоконтактного электроизолирующего средства соединения, преимущественно выбирается в диапазоне до 100 мкм. При указанном ограничении толщины слоя керамики обеспечивается минимальный перепад температур в области теплового контакта между теплопроводами и полупроводниковыми элементами.
Разъемные крепежные элементы могут быть выполнены в виде винтов с гайками, а упругие элементы - в виде шайб, размещенных между опорными поверхностями металлических теплопроводов и опорными частями винтов и гаек.
Краткое описание чертежей
Далее полезная модель поясняется описанием предпочтительного примера ее реализации и прилагаемыми чертежами, на которых показано следующее:
на фиг.1 - схематичное изображение устройства, поясняющее принцип работы термоэлектрического модуля;
на фиг.2 - поперечный разрез термоэлектрического модуля с крепежными элементами;
на фиг.3 - вид сверху на термоэлектрический модуль, изображенный на фиг.2.
Пример осуществления полезной модели
Термоэлектрический модуль содержит блок 1 полупроводниковых элементов (термоэлектрические ветви), состоящий из полупроводниковых элементов 2 р-типа и n-типа проводимости (см. фиг.1). В качестве материала полупроводниковых элементов 2 применяется теллурид висмута зонноплавленный р- и n-типа. Полупроводниковые элементы 2 соединены между собой коммутационными токопроводами 3. В составе блока 1 полупроводниковые элементы 2 последовательно соединены между собой коммутационными токопроводами 3. Общие токоподводы 4 и 5 подключаются к коммутационным токопроводам 3 начального и конечного полупроводникового элемента, входящего в состав модуля.
В зависимости от типа термоэлектрического устройства токопроводы 4 и 5 могут подключаться либо к источнику напряжения (на чертеже не показан), когда устройство функционирует в режиме нагревателя или охладителя на основе эффекта Пельтье, либо к потребителю электрической энергии (на чертеже не показан), когда устройство работает в режиме преобразователя тепловой энергии в электрическую на основе эффекта Зеебека.
В состав каждого термоэлектрического модуля входят алюминиевые теплопроводы 6 и 7, которые контактируют с коммутационными токопроводами 3.
Теплопроводы 6 и 7 и полупроводниковые элементы 2 с коммутационными токопроводами 3 соединены между собой с помощью, по меньшей мере, одного крепежного элемента (на фиг.1 не показан, см. фиг.2 и 3) и, по меньшей мере, одного
упругого элемента (на фиг.1 не показан, см. фиг.2 и 3), размещенного между опорной частью крепежного элемента и опорной поверхностью металлического теплопровода.
2
3
На поверхностях теплопроводов, обращенных к коммутационным токопроводам 3, образованы керамические слои 8 и 9, которые включают α- и γ-фазы АlO. Данные покрытия используются в термоэлектрическом модуле в качестве теплоконтактного электроизолирующего средства соединения коммутационных токопроводов 3 с теплопроводами 6 и 7.
Слои 8 и 9 созданы методом микродугового оксидирования. Толщина таких слоев выбирается в диапазоне до 100 мкм для минимизации потерь тепловых потоков в области контакта теплопроводов с коммутационными токопроводами.
Пример выполнения термоэлектрического модуля, изображенный на фиг.2 и 3, основан на использовании в качестве крепежных элементов и упругих элементов (компенсаторов термических напряжений) соответственно винтов 10 с гайками 11 и упругих шайб 12 и 13.
Четыре пары винтов 10 с гайками 11 установлены в отверстиях, выполненных в теплопроводах 6 и 7, которые равномерно расположены по окружности вокруг блока 1 полупроводниковых элементов 2. Между опорными частями винтов 10 и гаек 11, с одной стороны, и соответствующими опорными поверхностями теплопроводов 6 и 7, с другой стороны, установлены шайбы 12 и 13 соответственно. Шайбы 12 и 13 выполняются из термостойкого материала, обладающего упругими свойствами.
В рассматриваемом примере шайбы 12 и 13 изготовлены из полиимида, хотя в других вариантах реализации полезной модели шайбы могут выполняться, например, из фторопласта-4 или других упругих термостойких материалов.
С помощью разъемных крепежных элементов (винтов 10 и гаек 11) блок 1 полупроводниковых элементов с коммутационными токопроводами поджимается с одной стороны к керамическому слою 8 теплопровода 6, а с другой стороны - к керамическому слою 9 противоположного теплопровода 7. Крепление блока 1 к теплопроводам 6 и 7 осуществляется с усилием, требующимся для обеспечения надежного контакта поверхностей керамических слоев 8 и 9 к коммутационным токопроводам полупроводниковых элементов термоэлектрического модуля.
В теплопроводах 6 и 7 выполнены установочные технологические отверстия 14, с помощью которых осуществляется крепление термоэлектрического модуля на нагреваемой либо охлаждаемой поверхности оборудования потребителя.
2
3
2
В рассматриваемом примере выполнения полезной модели толщина каждого слоя 8 и 9 керамики АlО составляет ~70 мкм. Площадь термоэлектрического модуля - 16 см. Толщина коммутационных токопроводов составляет ~300 мкм. В качестве материала коммутационных токопроводов и токоподводов используется медь. Каждый модуль устройства рассчитывается на тепловой поток через теплопроводы ~70 Вт.
Работа каждого термоэлектрического модуля осуществляется следующим образом.
Термоэлектрический модуль предварительно собирается с помощью винтов 10 и гаек 11, прижимающих контактные поверхности коммутационных токопроводов блоков 1 полупроводниковых элементов к поверхностям керамических слоев 8 и 9 соответствующих теплопроводов 6 и 7. Между опорными частями винтов 10 и гаек 11 и опорными поверхностями теплопроводов 6 и 7 устанавливаются шайбы 12 и 13.
1
2
3
При работе термоэлектрического модуля в режиме преобразователя тепловой энергии в электрическую производится нагрев теплопровода 6 и охлаждение теплопровода 7. Теплопровод 6 устанавливается на теплообменном устройстве источника тепловой энергии. Теплопровод 7 принудительно охлаждается за счет конвективного теплообмена с окружающей средой. Подводимый тепловой поток Q за счет изотропности теплопроводности керамического теплоконтактного электроизолирующего слоя 8, состоящего из α- и γ-фаз АlО, равномерно перераспределяется по всей поверхности теплопровода 6, контактирующей с коммутирующими токопроводами 3.
Далее тепловой поток за счет теплопроводности передается через медные коммутирующие токопроводы 3, имеющие тепловой контакт с блоком 1 полупроводниковых элементов 2, к торцевым частям полупроводниковых элементов 2.
2
2
3
Противоположные торцевые части полупроводниковых элементов 2 охлаждаются за счет принудительного охлаждения теплопровода 7 посредством конвективного теплообмена. Тепловой поток Q отводится от блока 1 полупроводниковых элементов 2 через коммутационные токопроводы 3 и теплоконтактный электроизолирующий слой 9, выполненный из керамики АlО, которая обладает изотропной теплопроводностью.
Использование изотропных свойств теплопроводности керамического покрытия, образованного на поверхности теплопровода методом микродугового оксидирования, позволяет равномерно перераспределить тепловой поток по всему объему теплопровода и его внешней поверхности без локального перегрева.
Перепад температуры на теплоконтактных электроизолирующих слоях 8 и 9 в процессе работы модуля составляет не более 2,2С°. В результате этого на противоположных торцевых поверхностях полупроводниковых элементов 2 создается максимальный перепад температур. Т.е. увеличивается разность температур между охлаждаемым и нагреваемым теплопроводом и, следовательно, расширяется рабочий диапазон температур модуля.
За счет действия эффекта Зеебека на торцевых частях полупроводниковых элементов 2 вырабатывается разность потенциалов. Генерируемый постоянный электрический ток протекает по коммутационным токопроводам 3, соединяющим термоэлектрические модули. Далее генерируемый электрический ток через общие токоподводы 4 и 5 подается к потребителю электрической энергии.
При работе термоэлектрического модуля в режиме охлаждения - нагрева на противоположных торцевых частях полупроводниковых элементов 2 создается разность потенциалов посредством подвода постоянного напряжения через коммутационные токопродводы 3 и токоподводы 4 и 5 от внешнего источника электропитания (на чертеже не показан).
1
2
В результате действия эффекта Пельтье происходит нагрев одних торцевых частей полупроводниковых элементов 2 и охлаждение противоположных частей этих элементов. Вследствие этого в термоэлектрических ветвях устройства генерируется тепловой поток, направление которого зависит от полярности электрического напряжения, подводимого к торцам элементов 2. В рассматриваемом варианте конструкции теплопровод 7 охлаждается торцевыми частями полупроводниковых элементов 2, осуществляя отвод теплового потока Q от теплообменника холодильной установки, а теплопровод 7 нагревается от противоположных частей полупроводниковых элементов 2, передавая тепловой поток Q в окружающее пространство.
Так же, как и в первом режиме работы модуля, тепловые потоки с минимальными потерями изотропно распределяются по всей поверхности теплопроводов 6 и 7. Эффективная теплопередача осуществляется через коммутирующие токопродводы 3, установленные на торцевых частях полупроводниковых элементов 2, которые нагреваются и охлаждаются вследствие действия эффекта Пельтье. Затем тепловые потоки равномерно перераспределяются в теплопроводах 6 и 7 через теплоконтактные электроизолирующие слои 8 и 9.
2
3
Теплопередача от слоя керамики АlО, образованной непосредственно в самом теле теплопровода, происходит равномерно по всей границе раздела (диффузионного слоя) металл-керамика с максимальной эффективностью теплообмена.
Компенсация термических напряжений и деформаций элементов конструкции модуля в процессе многократного термоциклирования производится за счет упругих свойств шайб 12 и 13, установленных между опорными поверхностями крепежных элементов и теплопроводов 6 и 7.
В случае возникновения необходимости замены вышедшего из строя блока 1 полупроводниковых элементов осуществляется частичная разборка термоэлектрического модуля. С помощью винтов 10 и гаек 11 снимается один из теплопроводов 6 или 7. При этом второй теплопровод может оставаться закрепленным на оборудовании потребителя с помощью крепежных элементов, установленных в технологических отверстиях 14. После этого производится замена блока 1 полупроводниковых элементов (вместе с коммутационными токопроводами) и установка демонтированного теплопровода. Блок 1 закрепляется между керамическими слоями 8 и 9 теплопроводов 6 и 7 с помощью винтов 10 и гаек 11. Между опорными поверхностями крепежных элементов устанавливаются упругие шайбы 12 и 13.
Термоэлектрический модуль, выполненный согласно патентуемой полезной модели имеет более простую конструкцию по сравнению с известными аналогами, поскольку отпадает необходимость в использовании паяных соединений между коммутационными элементами и теплопроводами и требующихся для этого адгезионных слоев. Вследствие применения простых в изготовлении крепежных элементов существенно упрощается технология сборки и демонтажа термоэлектрических модулей, а также обеспечивается возможность быстрой замены вышедших из строя полупроводниковых элементов в процессе эксплуатации термоэлектрического модуля.
Вместе с тем, в процессе эксплуатации термоэлектрического модуля, при многократном термоциклировании происходит компенсация возникающих термических напряжений и деформаций за счет применения в конструкции модуля упругих элементов, размещенных между опорными частями крепежных элементов и опорными поверхностями металлических теплопроводов.
Таким образом, простая в изготовлении конструкция термоэлектрического модуля сохраняет в течение требуемого ресурса высокие эксплуатационные характеристики, которые зависят от надежности теплового контакта между блоком полупроводниковых элементов и теплопроводами в процессе термоциклирования.
Кроме того, при использовании термоэлектрического модуля отпадает необходимость применения промежуточных теплопроводов, так как эту функцию выполняют теплопроводы модуля. Размеры теплопроводов модуля выбираются в зависимости от установочных размеров оборудования потребителя.
Полезная модель может найти широкое применение в термоэлектрических устройствах, основанных на эффектах Пельтье и Зеебека, в частности, в нагревательных и охлаждающих устройствах, а также в оборудовании для кондиционирования воздуха, в измерительной и медицинской технике.