ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАЖДАЮЩИЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к термоэлектрическим приборам и может быть использована в термоэлектрических охлаждающих модулях, применяемых в радиоэлектронике, медицине и устройствах, которые эксплуатируются преимущественно в условиях многократного термоциклирования (нагрев-охлаждение).
Известен термоэлектрический охлаждающий модуль (см. РФ №6470, 16.04.199), содержащий охлаждающую и теплоотводящую теплообменные пластины и размещенные между ними термоэлементы, каждый из которых включает полупроводниковые ветви пир типа проводимости. Ветви соединены между собой посредством коммутационных шин, соединенных с теплообменными пластинами, причем, по крайней мере к одной из них, предпочтительно, к охлаждающей пластине, шины присоединены с помощью теплоконтактного соединения, выполненного в виде слоя упругого клеевого компаунда. Толщина этого слоя составляет 10-50 мкм и выполнен он из вещества на силиконовой основе, например из силиконовой резины.
Недостатком известного модуля является использование для теплоконтактного соединения узкого круга материалов, ограниченного клеевыми упругими материалами, обладающими низкой теплопроводностью. При прохождении теплового потока через такие материалы возникают паразитные перепады температур, особенно при значительной их толщине, поэтому толщина слоя теплоконтактного соединения не может превышать 50 мкм. Увеличение толщины слоя свыше 50 мкм приводит к неоправданно высоким паразитным перепадам температуры на слое практически без улучшения его прочностных характеристик. Присоединение коммутационных шин к теплообменным пластинам слоем теплоконтактного соединения менее 50 мкм сопряжено с выполнением ряда дорогостоящих технологических операций, что приводит к высокой стоимости модуля. Кроме того, тонкий слой теплоконтактного соединения плохо снимает механические напряжения.
В патенте RU 2117362 С1, 10.08.1998, раскрыт термоэлектрический охлаждающий модуль, эксплуатируемый преимущественно в условиях многократного термоциклирования. Известный модуль содержит полупроводниковые ветви n- и р-типов проводимости, соединенные
коммутационными шинами с теплообменными пластинами, при этом, согласно формуле изобретения, шины соединены с пластинами посредством так называемого «теплоконтактного соединения». «Теплоконтактные соединения» выполняют в виде клеевого компаунда. Известный термоэлектрический охлаждающий модуль обладает недостаточной степенью надежности и стабильности при работе при повышенных температурах ввиду использования одного и того же по составу клеевого компаунда к двум разнородным по своим теплофизическим свойствам материалам: коммутационной шине и теплообменной пластине. В результате снижения предела прочности связи компаунда с конструкционными элементами модуля при повышении температуры до 120°С более чем в 1,8-2 раза по сравнению с этим же параметром при комнатной температуре и существенной разницы в коэффициентах теплового расширения, возникающие механические напряжения в условиях смены тепловой нагрузки приводят к отслаиванию коммутационных шин, что отрицательно сказывается на надежности работы устройства.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является теплоэлектрический охлаждающий модуль, включающем полупроводниковые ветви n- и р-типов проводимости, присоединенные коммутационными шинами к охлаждающей и теплоотводящей теплообменным пластинам, причем, каждая из коммутационных шин, расположенных, по крайней мере, на одной из теплообменных пластин, присоединена к ней посредством теплоконтактного соединения, выполненного в виде слоя упругого клеевого компаунда и адгезионного слоя, расположенного между коммутационной шиной и слоем компаунда (RU 51288 U1, 27.01.2006).
В данной конструкции частично решается задача повышения надежности работы модуля путем исключения отслаивания теплоконтактного соединения от коммутационных шин при возникающих механических напряжениях в условиях смены тепловой нагрузки. Однако, в условиях многократного термоциклирования при повышении температуры до 120°С°, за счет разницы коэффициентов теплового расширения материалов, из которых выполнены теплообменные пластины и коммутационные шины, происходит отслаивание коммутационных шин, что уменьшает надежность и ресурс работы модуля.
В основу заявленной полезной модели поставлена задача разработки такого термоэлектрического охлаждающего модуля, который позволил бы повысить надежность устройства путем увеличения среднего времени работы при эксплуатации модуля при высоких температурах в условиях многократного термоциклирования и так называемых тепловых ударов.
Поставленная задача решается тем, что в термоэлектрическом охлаждающем модуле, включающем полупроводниковые ветви n- и р-типов проводимости, присоединенные коммутационными шинами к охлаждающей и теплоотводящей теплообменным пластинам, причем, каждая из коммутационных шин, расположенных, по крайней мере, на одной из теплообменных пластин, присоединена к ней посредством теплоконтактного соединения, выполненного в виде слоя упругого клеевого компаунда и адгезионного слоя, расположенного между коммутационной шиной и слоем компаунда, согласно полезной модели теплоконтактные соединения снабжены дополнительным адгезионным слоем толщиной 2-10 мкм, расположенным между по крайней мере одной теплообменной пластиной и слоем компаунда.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид термоэлектрического охлаждающего модуля, вид сбоку;
на фиг.2 - вариант выполнения теплоконтактного соединения в виде сплошного слоя;
на фиг.3 - вариант выполнения теплoконтактного соединения в виде отдельных участков;
Термоэлектрический охлаждающий модуль содержит охлаждающую и теплоотводящую теплообменные пластины 1 и 2 (фиг 1) соответственно, которые выполнены, например, в виде прямоугольных листов, расположенных одна под другой параллельно друг относительно друга. Между теплообменными пластинами 1 и 2 расположены термоэлементы 3, каждый из которых включает полупроводниковую ветвь 4 n-типа проводимости, выполненную, например, из сплавов на основе висмута, селена и теллура: и полупроводниковую ветвь 5 р-типа проводимости, выполненную, например, из сплавов на основе висмута, сурьмы и теллура. Полупроводниковые ветви 4, 5 соединены между собой коммутационными шинами 6, изготовленными из материалов с низким электрическим сопротивлением,
например из меди и алюминия. Коммутационные шины 6 соединены с теплообменными пластинами I и 2, причем по меньшей мере с одной из них они соединены посредством теплоконтактного соединения 7, которое выполнено из упругого клеевого, теплопроводящего материала. Предпочтительно использовать теплoконтактное соединенно 7 для присоединения коммутационных шин 6 к охлаждающей теплообменной пластине 1, размешенной на охлаждаемом объекте. Это вызвано тем, что при термоциклировании наибольшее изменение температур, а следовательно, и наибольшие термометрические напряжения возникают именно в теплоконтактном соединении 7, расположенном на охлаждающей теплообменной пластине 1. В то же время теплоконтактное соединение 7, расположенное на теплопроводящей пластине 2, работает в процессе термо-циклирования при незначительных изменениях температуры, поскольку для теплоотвода с них, как правило, используются дополнительные специальные теплообменники, например, радиаторы, вентиляторы или жидкостные теплообменники (на чертежах не показаны), которые обеспечивают относительную стабилизацию температуры теплоотводящей пластины 2. Теплоконтактное соединение 7 изготавливается из упругих клеевых высокотеплопроводных материалов, например, компаунда на силиконовой или акриловой основе с мелкодисперсными наполнителями из высокотеплопроводиых материалов. В качестве такого материала может быть использован «Эластосил 137-182. Экспериментально установлено, что оптимальная толщина теплоконтактного соединения 7 может находится в пределах 10-70 мкм. Теплоконтактное соединение 7 может быть выполнено в виде отдельных участков, каждый из которых соединяет соответствующую коммутационную шину 6, например, с охлаждающей теплообменноц пластиной 1. Площадь поверхности каждого участка, соприкасающейся с каждой коммутационной шиной 6, должна быть не менее площади контактной поверхности этой коммутационной шины. Присоединение отдельных участков к теплообменной пластине 2 осуществляется с использованием соответствующих трафаретов с дозированным нанесением материала теплоконтактного соединения 7 до его отверждения. Это позволяет обеспечить экономию материала, из которого изготавливаются теплоконтактные соединения 7, что наряду с возможностью минимализации толщины этих соединений приводит к снижению стоимости модуля. Теплоконтактное соединение 7 могут быть
коммутационных шин 6, находящихся на теплообменной пластине 2. Благодаря такому выполнению теплопроводного соединения удастся существенно упростить технологию присоединения теплообменных пластин 1 и 2, поскольку не требуется применения трафаретов.
Для исключения отслаивания коммутационных шин 6 от теплоконтактного соединения 7 на шины наносят дгезионный слой 8. В качестве материала, обладающего высокими адгезионными свойствами к материалу шин, может быть использован «Подслой-11» или «Катализатор 68». Поскольку теплопроводность адгезионного слоя мала, толщину адгезионного слоя 8 следует уменьшить, что возможно путем разбавления «Подслоя-11» в нефрасе (нефрас С2 80/120 БР-2, ТУ 38.401-67-108-92) до концентрации 20-40% или использовать раствор «Катализатора 68» в нефрасе концентрацией 2-4%. Теплопроводную пластину 1 или 2 предпочтительно выполнять из керамики или из алюминия или его сплавов, покрытых слоем окисла алюминия, в связи с высокой теплопроводностью этих материалов. Однако, данные материалы имеют пористость 2-4%. При нанесении непосредственно на пластины 1 или 2 слоя компаунда, в процессе термоциклирования или при нагреве в слое компаунда возникают механические напряжения из-за существенного различия коэффициентов теплового расширения материалов пластин, коммутационных шин, компаунда. Механические напряжения ведут к отслоению слоя компаунда. Для исключения отслаивания пластин и обеспечения достаточного сцепления компаунда с пластиной 1 или 2 между слоем компаунда и теплообменной пластиной 1 или 2 (предпочтительно теплообменной охлаждающей пластиной) наносят адгезионный слой 9 толщиной 2-10 мкм из материала, обладающего высокой адгезией материалу пластин. В качестве материала адгезионного слоя 9 предпочтительно использовать «Подслоя-11» или «Катализатор 68». Адгезионный слой наносят толщиной 2-10 мкм, что обусловлено необходимостью обеспечения хорошей адгезии между пластиной и теплоконтактым соединением при одновременном уменьшении тепловых потерь. Как показали испытания, при выполнении адгезионного слоя менее 2 мкм существенно снижается термоциклическая выносливость модулей, а при увеличении его толщины - увеличиваются теплопотери на адгезионном слое.
Приведенные ниже в таблице сведения подтверждают обеспечение надежности работы модуля в указанным пределах адгезионного слоя между теплообменной
пластиной и теплоконтактным соединением.
Таблица
Толщина адгезионного слоя между пластиной и компаундом
1 мкм
2 мкм
4 мкм
6 мкм
10 мкм
12 мкм
Термоциклическая выносливость. Кол-во циклов Т<sub>х</sub>=20-100°С до повышения сопротивления на 5% при Т<sub>r</sub>=35°С
29674
39346
40132
40853
41012
41115
При эксплуатации термоэлектрического охлаждающего модуля внешнюю поверхность его охлаждающей теплообменной пластины 1 состыковывают с охлаждаемым объектом (на чертежах не показан). При этом к внешней поверхности противоположной теплоотводящей пластины 2 обычно пристыковывают теплосъемное устройство (на чертежах не показано). Источник постоянного тока (на чертежах не показан) присоединяют к концевым коммутационным шинам 10 модуля и пропускают через полупроводниковые ветви 4, 5 постоянный ток. Вследствие эффекта Пельтье на спаях ветвей 4, 5 и коммутационных шин 6, расположенных на пластине 1, происходит поглощение тепловой энергии и соответствующее постепенное охлаждение до требуемой температуры охлаждаемого объекта. На спаях ветвей 4, 5 и коммутационных шин 6, расположенных на пластине 2, при этом происходит выделение тепловой энергии, которая затем отводится с внешней поверхности пластины 2. В процессе охлаждения из-за явления теплового расширения изменяются размеры пластин и шин, что ведет к возникновению термомеханические напряжений в теплопереходях модуля, которые компенсируются упругим высокотеплопроводящим материалом теплоконтактного соединения 7. После выхода на требуемый температурный режим объекта, выдерживают требуемое время и затем изменяют полярность электропитания модуля. Происходит нагрев охлаждающей теплообменной пластины 1 и расположенных на ней теплоконтактных соединений 7 модуля и возникающие при этом термомеханические напряжения в сопрягаемых узлах модуля вновь компенсируются упругим материалом теплоконтактных соединений 7. За счет наличия адгезионных слоев 8, 9 между коммутационными шинами 6, теплообменными пластинами 1, 2 и теплоконтактным соединением 7 исключается теплообменными пластинами 1, 2 и теплоконтактным соединением 7 исключается отслаивание пластин 1, 2 и коммутационных шин 6, что повышает надежность работы модуля.
При проведении сравнительных испытаний, в которых при термоциклировании перепад температур на модуле достигал 65°С, известные модули выдержали не более 600 тсрмоциклов (нагрев - охлаждение) после чего их характеристики (например, внутреннее сопротивление, паразитные перепады температур и др.) выходили за требуемые пределы 5%. В то же время при испытаниях в аналогичных условиях заявленного модуля с двумя адгезионными слоями и компаундом, он выдержал более 40000 термоциклов. Характеристики при этом остались в допустимых пределах. Заявленный модуль также лучше переносит ударные и вибрационные нагрузки, благодаря упругим свойствам материала теплоконтактных соединений.