ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
THERMOELECTRIC MODULE

Изобретение относится к области термоэлектричества и может быть использовано в термоэлектрических охлаждающих устройствах и (или) термоэлектрических генераторах.
Известен термоэлектрический модуль, содержащий термоэлектрические элементы p-типа и термоэлектрические элементы n-типа, которые расположены в чередующемся порядке и электрически соединены электродами, предусмотренными на верхней и нижней сторонах каждого термоэлектрического элемента, и каждый термоэлектрический элемент имеет покрывающую пленку изолирующего материала из полиимида или поли (замещенного или незамещенного p-ксилена) на его сторонах, за исключением сторон, соединенных с электродами (см. патент RU 2178281). Эта пленка повышает прочность и влагостойкость термоэлектрических элементов, защищает термоэлектрические элементы от коррозии в атмосфере высокой влажности.
Для борьбы с коррозией в термоэлектрических элементах и исключения накопления в зазорах между термоэлектрическими элементами сконденсированной влаги, испарение которой на горячем спае и конденсация на холодном спае снижает эффективность работы термоэлектрического модуля, многие производители термоэлектрических модулей проводят герметизацию силиконовыми, эпоксидными и полиуретановыми герметиками. Однако герметизация приводит к снижению разности температур примерно на 2-3°С из-за теплопроводности герметика, большей, чем теплопроводность воздуха (компания «Криотерм», Инструкция но установке, п.6).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является термоэлектрический модуль, известный из патента RU 2364803 С2 20.08.2009, в котором предложена двойная герметизация. В нем предлагается термоэлектрический модуль, который содержит помещенные между двумя теплообменными пластинами горячих и холодных спаев и последовательно соединенные в электрическую цепь параллельные ряды термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями из полупроводников p- и n-типа проводимости. Торцевые поверхности ветвей p- и n-типа термоэлементов соединены с образованием p-n-переходов коммутационными шинами, закрепленными на внутренних поверхностях теплообменных пластин горячих и холодных спаев. Все наружные боковые поверхности периферийных ветвей периферийных рядов термоэлементов охвачены единым сплошным замкнутым защитным покрытием из силиконового герметика, наружная поверхность которого расположена заподлицо с боковыми поверхностями теплообменных пластин. На боковые поверхности каждой ветви термоэлементов и на открытые внутренние поверхности коммутационных шин нанесено герметизирующее защитное покрытие в виде пленки эпоксидно-уретанового лака. Торцы ветвей p- и n-типа соединены с коммутационными шинами.
Благодаря нанесению на указанные выше поверхности элементов термоэлектрического модуля указанных защитных покрытий обеспечивается двойная герметизация термоэлектрического модуля, увеличивающая ресурс работы модуля, повышающая надежность его работы и механическую прочность.
Недостатком термоэлектрического модуля с двойной герметизацией является уменьшение разности температур между теплообменными пластинами горячих и холодных спаев из-за наличия в объеме герметизации герметика, охватывающего единым сплошным замкнутым защитным покрытием внешние поверхности периферийных ветвей периферийных рядов термоэлементов термоэлектрического модуля, расположенного заподлицо с боковыми поверхностями теплообменных пластин, причем теплопроводность которого превышает теплопроводность воздуха в 5…7 раз. Наличие на боковых поверхностях каждой из ветвей термоэлементов и внутренних поверхностях коммутационных шин и теплообменных пластин покрытия из эпоксидно-уретанового лака, теплопроводность которого также превышает теплопроводность воздуха более чем в 10 раз, приводит к дальнейшему уменьшению разности температур между теплообменными пластинами горячих и холодных спаев. Герметизация или двойная герметизация не исключают наличия воздуха в технологическом объеме между внутренними поверхностями теплообменных пластин горячих и холодных спаев, открытыми внутренними поверхностями коммутационных шин и боковыми поверхностями каждой ветви термоэлементов. При наличии воздуха в указанном объеме одновременно с термоэлектрическими явлениями в модуле происходят процессы передачи тепла через излучение, теплопроводность и конвекцию воздуха в замкнутом объеме.
Техническим результатом изобретения является увеличение максимальной разности температур холодного и горячего спаев и увеличение максимальной холодопроизводительности модуля.
min
max
Указанный технический результат достигается за счет того, что в термоэлектрическом модуле, содержащем помещенные между теплообменными пластинами горячих и холодных спаев и последовательно соединенные в электрическую цепь параллельные ряды термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями из полупроводников n- и p- типа проводимости, торцевые поверхности ветвей n- и p-типа термоэлементов соединены с образованием n-p-переходов коммутационными шинами, закрепленными на внутренних поверхностях теплообменных пластин горячих и холодных спаев, в отличие от известного пространство, заключенное между внутренними поверхностями теплообменных пластин, заполнено влагонепроницаемым, инертным к материалам элементов термоэлектрического модуля теплозащитным покрытием с теплопроводностью равной и менее 0,001 Вт/м·К до объема V, где V ограничено внешними поверхностями периферийных ветвей периферийных рядов термоэлементов термоэлектрического модуля и торцевыми поверхностями теплообменных пластин, a V ограничено внутренними поверхностями теплообменных пластин горячих и холодных спаев, коммутационными шинами и торцевыми поверхностями теплообменных пластин.
Увеличение максимальной разности температур холодного и горячего спаев и увеличение максимальной холодопроизводительности модуля достигается за счет того, что в термоэлектрическом модуле полностью исключается процесс теплопередачи между холодной и горячей поверхностями теплообменных пластин через воздух и исключается влияние теплопроводности герметизирующих составов, применявшихся ранее.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен вид сверху герметизированного снаружи модуля без верхней теплообменной пластины;
min
на фиг.2 изображен вид модуля в разрезе с заполнением V;
на фиг.3 изображен вид сверху полностью герметизированного модуля без верхней теплообменной пластины,
max
на фиг.4 изображен вид модуля в разрезе с заполнением V.
min
max
Предложенный термоэлектрический модуль содержит термоэлементы, образованные ветвями из полупроводника 1 n-типа проводимости и полупроводника 2 p-типа проводимости, коммутационные шины 3, закрепленные на внутренних поверхностях теплообменных пластин 4 и образовывающие n-p-переходы, соединенные в последовательную электрическую цепь, оканчивающуюся электрическими проводниками 5 и 6, предназначенными для соединения термоэлектрического модуля с источником постоянного напряжения. Влагонепроницаемым, инертным к материалам элементов термоэлектрического модуля теплозащитным покрытием 7 с теплопроводностью равной и менее 0,001 Вт/м·К заполнено пространство, заключенное между внутренними и торцевыми поверхностями теплообменных пластин, до объема V, где V соответствует (равно) объему, заключенному между внутренними и торцевыми поверхностями теплообменных пластин и внешними поверхностями периферийных ветвей периферийных рядов термоэлементов 1 и 2 термоэлектрического модуля, а V соответствует (равно) объему, заключенному между внутренними и торцевыми поверхностями теплообменных пластин 4 горячих и холодных спаев, коммутационными шинами 3 и торцевыми поверхностями теплообменных пластин 4.
Термоэлектрический модуль работает следующим образом. Подключают проводники 5 и 6 к источнику постоянного напряжения. Через электрическую цепь, образованную последовательно соединенными полупроводниковыми ветвями 1 и 2 термоэлементов, протекает ток и в результате действия эффекта Пельтье одна теплообменная пластина охлаждается, а другая нагревается, в зависимости от направления тока в электрической цепи, при этом полностью исключается влияние воздуха на теплообмен между холодной и горячей пластинами и влияние теплопроводности герметизирующих материалов.
Для реализации предлагаемого технического решения могут быть использованы, например, термоэлектрические модули РМ-127-14-11-72-L фирмы ООО «Кристалл».
Чтобы исключить влияние теплопритоков на материалы припоя, спаи, покрытия и полупроводники, на материалы коммутационных шин, материалы пластин холодных и горячих спаев, теплозащитное покрытие должно быть инертным по отношению к указанным материалам. В качестве теплозащитного покрытия, отвечающего указанным требованиям наряду с влагонепроницаемостью, могут быть использованы жидкая теплоизоляция Альфатек фирмы «Фасад Термопроект» или жидкое керамическое теплоизоляционное покрытие Астратек ТУ 5768-002-02068060-2005 ООО «Термалком».
Испытания, проведенные на указанном модуле при заполнении свободного объема между холодной и горячей пластинами жидким керамическим теплоизоляционным покрытием Астратек при отсутствии тепловой нагрузки, кроме окружающего воздуха температурой 19,1°С, охлаждении горячего спая радиатором с вентилятором, показали разность температур между холодной и горячей пластинами 40°С при питании модуля током 2,99 А при напряжении 7,4 В. Тот же модуль, герметизированный эпоксидным составом на ООО «Кристалл», питаемый током 2,99 А с напряжением 7,57 В при одинаковой тепловой нагрузке и одинаковом охлаждении горячего спая, показал разность температур 30°С. Результаты показывают, что при проведении испытаний в вакуумной камере без тепловой нагрузки и температуре горячей стороны 27°С, нормированный параметр ΔТ будет значительно больше.
Предлагаемый термоэлектрический модуль обладает значительно более высокой холодопроизводительностью при меньшем электропотреблении, отличается простотой изготовления и большей надежностью в работе.