ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
THERMOELECTRIC MODULE

Изобретение относится к области термоэлектричества, в частности к термоэлектрическим устройствам Пельтье или Зеебека, эксплуатируемых в условиях многократного термоциклирования.
Известен охлаждающий модуль - термоэлектрический модуль (Пельтье), предназначенный для эксплуатации преимущественно в условиях многократного термоциклирования, содержащий полупроводниковые ветви n- и p-типов проводимости, соединенные между собой коммутационными шинами, а также теплообменные пластины. В известном модуле шины соединены с теплообменными пластинами посредством так называемого «теплоконтактного соединения», выполненного в виде упругого слоя клеевого компаунда (RU 2117362).
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые ветви р- и n-проводимости, соединенные коммутационными шинами с образованием электрической цепочки, выводные шины, соединенные с источником питания (RU 51288), а также теплообменные пластины. В известном модуле, по сравнению с модулем, известным из RU 2117362, дополнительно предлагается использовать между шинами и теплообменной пластиной со стороны шины адгезионного слоя металлоорганического соединения.
Общим недостатком известных термоэлектрических модулей, как показал опыт их эксплуатации, является то, что использование упругого теплопроводящего материала для закрепления выводных шин на теплообменной пластине не предотвращает деформацию контакта полупроводниковых ветвей с выводными шинами. Такая деформация может привести к выходу из строя термоэлектрического модуля.
Обычно к выводным шинам припаиваются (привариваются) внешние провода для подключения модуля к источнику питания (или к нагрузке при работе модуля в режиме генерации электрического тока). Механическое усилие со стороны внешнего провода, используемого для подключения модуля к источнику питания, может привести к повреждению контакта между выводной шиной и полупроводниковой ветвью. Подобное нарушение контакта между выводной шиной и полупроводниковой ветвью приводит к резкому возрастанию контактного электрического сопротивления и как следствие этого к значительному повышению температуры контакта вплоть до его выгорания и соответственно к выходу модуля из строя.
Существует также рад дополнительных факторов, снижающих надежность связи выводных шин с теплообменной пластиной:
1) если модуль эксплуатируется при повышенных температурах, то имеет место снижение прочности связи теплопроводящего клея как с выводными шинами, так и с теплообменной пластиной модуля.
2) из-за существенной разницы в коэффициентах теплового расширения выводных шин, теплообменных пластин и упругого теплопроводящего клея, возникающие механические напряжения в условиях смены тепловой нагрузки приводят к ослаблению связи выводных шин с теплообменной пластиной модуля.
Таким образом, при монтаже и эксплуатации известных термоэлектрических модулей велика вероятность повреждения электрического контакта между полупроводниковыми ветвями и выводными шинами.
Задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков известных термоэлектрических модулей, связанных с низкой надежностью контакта полупроводниковых ветвей с выводными шинами модуля.
Технический результат - повышение надежности термоэлектрических модулей, эксплуатируемых в условиях многократного термоциклирования.
Это достигается тем, что в известном термоэлектрическом модуле, содержащем полупроводниковые ветви p- и n-проводимости, соединенные коммутационными шинами с образованием электрической цепочки, выводные шины для соединения с источником питания, согласно изобретению, каждая выводная шина состоит из двух не соприкасающихся друг с другом частей, связанных между собой электрически с помощью токопроводящей перемычки, при этом одна из частей выводной шины имеет электрический контакт с полупроводниковым элементом n- или p-типа проводимости, а вторая часть выводной шины имеет электрический контакт с одним из токопроводов подключения модуля к источнику питания при работе модуля для охлаждения или нагрева или к потребителю электрической энергии при работе модуля в качестве генератора тока. Для каждой выводной шины токопроводящая перемычка припаяна или приварена, или приклеена к каждой из двух частей выводной шины. Токопроводящие перемычки выполнены в виде отрезка токопровода питания модуля.
На чертеже показан термоэлектрический модуль, общий вид.
Термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые ветви 1, 2, соответственно, р- и n-проводимости. Ветви 1, 2 соединены коммутационными шинами 3 с образованием электрической цепочки. Каждая выводная шина состоит из двух не соприкасающихся друг с другом частей 4 и 4а. Части 4 и 4а каждой выводной шины связаны между собой электрически с помощью перемычки 5, являющейся проводником тока. Части 4 каждой выводной шины, находящиеся в электрическом контакте с полупроводниковой ветвью 1 или 2 (р- или n-проводимости), приклеены к теплообменной пластине 6 с помощью упругого теплопроводящего клея. Части 4а каждой выводной шины прочно закреплены на теплообменной пластине 7 (например, с помощью напыления, методами диффузионного сращивания, пайки и т.п.).
2
2
Удельное усилие отрыва части 4а выводной шины от теплообменной пластины 6 должно быть не менее 3 кг/мм. Такое удельное усилие отрыва части выводной шины обеспечивает надежное закрепление внешних проводов питания 8 и 9 к теплообменной пластине 6. Удельное усилие отрыва части 4 выводной шины от теплообменной пластины 6 обычно не превышает 1.2 кг/мм.
Каждая из перемычек 5 может быть выполнена, например, из отрезка одножильного или многожильного провода, металлической (медной или серебряной) ленты или любого проводника тока, усилие деформации которого при работе модуля не превышает усилие отрыва частей 4 или 4а выводных шин от теплообменной пластины 6. Каждая перемычка 5 припаяна или приварена или приклеена к частям 4 и 4а соответствующей выводной шины.
Части 4а каждой выводной шины имеют электрический контакт с одним из проводов 8 или 9 подключения модуля к источнику питания (на чертеже не показан).
Заявляемый термоэлектрический модуль в режиме охлаждение/нагрев работает следующим образом.
Источник постоянного тока присоединяют к внешним проводам 8, 9 модуля и пропускают постоянный ток через полупроводниковые ветви 1 и 2. Вследствие эффекта Пельтье на спаях ветвей 1 и 2 и коммутационных шин 3, расположенных на охлаждающей теплообменной пластине 7, происходит поглощение тепловой энергии и соответственно постепенно охлаждается до требуемой температуры объект, размещенный на внешней поверхности теплообменной пластины 7. На спаях ветвей 1 и 2 и коммутационных шин 3, расположенных на теплоотводящей теплообменной пластине 6, происходит выделение тепловой энергии, которая отводится с внешней поверхности теплообменной пластины 6. При этом имеет место повышение температуры теплообменной пластины 6 и расположенных на ней коммутационных шин, выводных шин и упругого слоя между теплообменной пластиной 6 и коммутационными и выводными шинами. При смене направления тока через модуль происходит понижение температуры теплообменной пластины 6 и расположенных на ней компонентов модуля. В процессе изменения температуры теплообменной пластины 6 модуля возникают тепловые деформации упругого слоя между теплообменной пластиной 6 и коммутационными 3 и выводными шинами 4.
2
3
2
Опыт показывает, что различие в коэффициентах теплового расширения коммутационных шин 3 и выводных шин 4 и теплообменной пластины 6 приводит к движению шин относительно теплообменной пластины. При использовании медных шин и керамических (AlN или АlO) теплообменных пластин величина смещения шин относительно теплообменной пластины 6 может достигать 0.02 мм при размере теплообменной пластины ≈40×40 мм и перепадах температур ≈100°С.
Возникающие при этом механические напряжения в местах контакта ветвей с коммутационными шинами или выводными шинами нивелируются упругим слоем теплопроводящего материала, который используется для приклеивания шин.
Для того чтобы обеспечить: а) длительную работу ТЭ модуля в циклическом режиме, б) высокую надежность соединения внешних проводов с ТЭ модулем, необходимо, чтобы конструкция выводных шин позволяла решить задачу сочетания двух противоположных требований:
1) возможности смещения выводных шин относительно теплообменной пластины 6, что необходимо для снижения механических напряжений в области контактов полупроводниковых ветвей с коммутационными и выводными шинами;
2) высокой прочности соединения с теплообменной пластиной 6 выводных шин с прикрепленными к ним внешними проводами модуля так, чтобы исключить повреждение контактов цепи «внешний провод - выводная шина - полупроводниковая ветвь» при монтаже и эксплуатации термоэлектрического модуля.
В заявляемом изобретении вышеупомянутая задача решается за счет разделения каждой выводной шины на две не соприкасающиеся друг с другом части, электрически соединенные друг с другом с помощью упругой или достаточно легко деформируемой электропроводящей перемычки.
Первые части выводных шин 4 находятся в контакте с крайними Р или N ветвями и соединены с теплообменной пластиной 6 посредством упругого теплопроводящего материала.
Вторые части выводных шин 4а прочно соединены с теплообменной пластиной 6 (посредством клея, диффузионного сращивания, пайки и т.п.) и к ним припаиваются, привариваются, приклеиваются внешние провода 8 и 9 для подключения термоэлектрического модуля к источнику питания (модуль Пельтье) или к нагрузке (модуль Зеебека).
Обе части каждой выводной шины 4 и 4а соединены друг с другом с помощью упругой или достаточно легко деформируемой токопроводящей перемычки 5. Перемычка может быть выполнена из одножильного или многожильного провода, электропроводящей пленки, металлической или полимерной ленты.
Соединение токопроводящей перемычки 5 с частями выводных шин 4 и 4а может осуществляться методами пайки, сварки, диффузионного сращивания, с помощью электропроводящих клеев.
Основные требования к токопроводящей перемычке:
1) перемычка должна быть в состоянии длительное время (в течение всего времени эксплуатации ТЭ модуля) пропускать ток питания ТЭ модуля,
2) усилие деформации перемычки в области закрепления перемычки и части выводной шины, находящейся в контакте с полупроводниковой ветвью, не должно превышать усилие отрыва данной части выводной шины.
В сравнении с известным модулем предлагаемый термоэлектрический модуль обладает повышенной надежностью при монтаже и при эксплуатации в условиях многократного термоциклирования.
Так, при испытаниях, в которых при термоциклировании перепад температур составляет 50°С, известный модуль выдерживал не более 100000 термоциклов (нагрев-охлаждение), после чего его характеристики, например внутреннее электрическое сопротивление, выходили за допустимые пределы, а предлагаемый модуль выдерживал более 200000 термоциклов (нагрев-охлаждение) и его характеристики оставались в допустимых пределах. При монтаже образцов предлагаемого термоэлектрического модуля ни на одном из образцов не наблюдались повреждения контакта полупроводниковых ветвей с выводными шинами.