ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к термоэлектрическим охлаждающим устройствам (ТОУ), обеспечивающим преобразование электрической энергии в тепловую, основанное на эффекте Пельтье.. В научно-технической и патентной литературе нет терминологического единообразия. Этот объект называют также «термоэлектическое охлаждающее устройство», «модуль Пельтье», «панель Пельтье».
ТОУ находят применение в оптико-электронных системах, в ЭВМ, в медицине, в бытовой технике, на транспорте и в других областях.
ТОУ состоит из полупроводниковых ветвей с проводимостями p-типа и n-типа, расположенных между двумя диэлектрическими подложками, на поверхностях которых имеются коммутационные площадки, соединяющие полупроводниковые ветви в единую электрическую цепь.
При пропускании тока через электрическую цепь на охлаждающей поверхности одной из подложек выделяется теплота Пельтье, а на поверхности теплоотводящей подложки - теплота Джоуля.
Это свойство ТОУ используют для создания различных холодильных устройств, "откачивающих" тепловую энергию из рабочего пространства во внешнюю среду или передающих тепло от одной поверхности к другой.
По сравнению с традиционными холодильными агрегатами термоэлектрические охлаждающие устройства обладают такими преимуществами, как малые масса и габариты, высокая надежность, экологическая чистота.
Известно термоэлектрическое устройство, содержащее полупроводниковые ветви с проводимостями p- и n-типов, объединенные попарно - попеременно медными шинами в единую электрическую цепь, размещенные между керамическими подложками. Все холодные и все горячие спаи полупроводниковых ветвей расположены на противоположных сторонах, и их медные шины припаяны к металлическим контактным площадкам, выполненным металлизацией надлежащим образом на керамических подложках. Устройство содержит подложки, платы с нанесенным проводящим слоем и припаянные на контактных площадках плат шины (DE, заявка N 4006861, Н01L 35/32, F25В 21/02, 1990 г.).
Недостатком известного устройства является потеря механических и диэлектрических свойств подложки в условиях перепада температур в несколько десятков градусов и при механических воздействиях из-за возникновения в керамических подложках напряжений и последующего растрескивания. Другой недостаток связан с различием коэффициентов расширения применяемых материалов, особенно между медью и алюмооксидной керамикой, которая использована в известном модуле. Это также снижает надежность устройства.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является термоэлектрическое устройство, содержащее полупроводниковые ветви с проводимостями p-типа и n-типа, объединенные попарно - попеременно металлическими шинами в единую электрическую цепь, размещенные между подложками так, что все горячие спаи соединены через контактные площадками с одной подложкой, а все холодные с противоположной, в котором подложки выполнены в виде металлического основания с нанесенным на него полиимидным слоем. Металлическое основание выполнено из алюминия, или из титана, или из стали, или из тантала (Патент РФ №2075138, опубл. 10.03.1997, H01L 35/30).
Для увеличения холодопроизводительности устройства n-ное количество одинаковых единичных термоэлектрических элементов размещают под одной металлической теплопроводящей пластиной.
Недостатком конструкции такого термоэлектрического устройства является снижение его механической прочности с увеличением площади металлических пластин, являющихся основанием устройства. С увеличением площади снижаются ресурс устройства (срок службы) и количество термоциклов.
Задачей, решаемой полезной моделью, является увеличение площади охлаждаемой поверхности при увеличении ресурса устройства и термоцикличности.
Поставленная задача решается тем, что в термоэлектрическом термоохлаждающем устройстве, включающем подложки, состоящие из металлических оснований и диэлектрических теплопроводящих слоев, полупроводниковые ветви p- и n-типа проводимости, объединенные попарно-попеременно металлическими шинами в единую электрическую цепь, размещенные между подложками так, что все горячие спаи соединены с одной подложкой, а все холодные - с противоположной стороны, предложено диэлектрические теплопроводящие слои подложек выполнять из полимеризованного силиконового геля со вспененной структурой, и армированного стекловолокном, а металлические основания подложек с диэлектрическими слоями соединять с жестко связанными в электрические цепи полупроводниковыми ветвями давлением сжатия. Кроме того, диэлектрические теплопроводящие слои размещены с двух сторон металлических оснований.
Сущность заявленной конструкции заключается в том, что предложено новое сочетание материалов подложек панели, а именно использование в качестве диэлектрического теплопроводящего слоя полимеризованного силиконового геля со вспененной структурой, и армированного стекловолокном; предложено соединение сжатием под давлением металлического основания и диэлектрических слоев подложек непосредственно с жестко связанными в электрические цепи полупроводниковыми ветвями p- и n- типов проводимости, а также размещение диэлектрического теплопроводящего слоя по обеим сторонам металлического основания подложек.
Совокупность этих признаков позволяет наиболее полно использовать свойства полимеризованного силиконового геля со вспененной структурой, и армированного стекловолокном, обеспечивая конструкции термоэлектрического охлаждающего устройства в целом существенное снижение теплопотерь (холодопотерь), существенное снижение возможности электрического пробоя (диэлектрические свойства) и высокую механическую прочность. Именно эти свойства позволяют увеличить количество единичных термоэлектрических элементов в одном термоэлектрическом устройстве и, таким образом, существенно увеличить площадь холодообразующей поверхности и термоэлектрические характеристики.
Также высокие демпфирующие и теплопроводящие свойства диэлектрического слоя позволяют применить для сборки термоэлектрического устройства давление сжатия без риска разрушения термоэлектрических модулей, расположенных между подложками.
Отсутствие необходимости в других материалах для обеспечения сборки устройства позволяет минимизировать его габариты по высоте, упростить процесс сборки, существенно увеличить выход годного при их производстве, сохранив при этом высокие термоэлектрические характеристики, существенно увеличить ресурс и количество термоциклов.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом, где на фиг.1 приведена схематично конструкция термоэлектрического устройства.
На фиг.1 введены следующие обозначения:
1,2 - теплообменные металлические пластины - металлические основания подложек;
3,4 - диэлектрические теплопроводящие слои;
5 - металлические шины;
6 - полупроводниковые ветви n-типа проводимости;
7 - полупроводниковые ветви р-типа проводимости.
Две теплообменные металлические пластины определяют либо холодную сторону, либо горячую сторону устройства в зависимости от полярности прикладываемого напряжения. При подаче положительного потенциала к материалу с n-типом проводимости температура одной из металлических пластин будет снижаться по мере поглощения тепла. Степень охлаждения пропорциональна величине тока и количеству термоэлектрических пар в матрице, при этом охлаждение происходит, когда электроны переходят с низкого энергетического уровня в материале р-типа проводимости на более высокий энергетический уровень в материале n-типа проводимости.
Принцип данного устройства состоит в том, что к выводным контактам (на фигуре не показано) термоэлектрического устройства прикладывают постоянное напряжение. При прохождении тока через термоэлектрические пары 6 и 7 на одной из теплообменных пластин 1 поглощается некоторое количество теплоты, а на другой пластине 2 выделяется некоторое количество теплоты в соответствии с эффектом Пельтье.
Способ изготовления данного устройства включает выполнение следующих операций.
Предварительно коммутационные шины 5 соединяют методом пайки с ветвями 6 и 7 из материалов n- и р-типов проводимости, соответственно, образуя электрическую цепь. Далее на поверхности теплообменных металлических (медных) пластин 1 и 2 наносят слой 3, 4 диэлектрического материала из полимеризованного силиконового геля со вспененной структурой и армированного стекловолокном. Затем на одну теплообменную пластину 1 с нанесенным диэлектрическим слоем 3 укладывают соединенные в электрическую цепь ветви 6, 7 n- и р-типов проводимости, поджимают и накрывают второй пластиной 2 с диэлектрическим слоем 4 и снова поджимают.
Таким образом, получают термоэлектрическое устройство, в котором электрически соединенные ветви n- и р-типов проводимости располагаются между двумя металлодиэлектрическими слоями (подложками), образуя сэндвич-структуру. Такой принцип сборки позволяет получать ТОУ с любыми размерами теплопроводящих поверхностей и любым количеством термоэлектрических элементов, расположенных между ними.
Технический результат состоит в увеличении срока службы (ресурса), количества термоциклов и выхода годного при производстве термоэлектрических охлаждающих устройств.
Использование данной полезной модели приводит к таким коммерческим преимуществам, как увеличение площади теплосъемных поверхностей без ограничения количества ветвей n- и р- типов проводимости и с сохранением надежности и высоких термоэлектрических характеристик.