ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области термоэлектрических устройств и может быть использована в качестве термоэлектрического элемента, применяемого в термоэлектрических охлаждающих модулях или в термоэлектрических генераторах, которые преимущественно эксплуатируются в условиях многократного термоциклирования.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известен термоэлектрический элемент (ТЭ), раскрытый в RU 51288 U1, опубл. 27.01.2006, прототип. ТЭ, применяемый термоэлектрических охлаждающих модулях, содержит полупроводниковые ветви n- и р-типов проводимости, соединенные коммутационными шинами, которые присоединены соответственно к охлаждающей и к теплоотводящей теплообменной пластине, отличающийся тем, что 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.
Недостатком раскрытого выше ТЭ является низкая теплопроводность известных клеевых теплопроводных компаундов, что снижает скорость температурных фронтов в циклических применениях и вносит паразитное тепловое сопротивление в статических применениях ТЭ, снижая эффективность их работы.
Кроме того, из уровня техники известен ТЭ, раскрытый в RU 51288 U1, опубл. 27.01.2006, прототип. ТЭ, применяемый термоэлектрических охлаждающих модулях, содержит матрицу из термоэлектрических пар, каждая из которых образованна полупроводниковым материалом n- и р-типов проводимости, связанных между собой электрически в серии с помощью коммутационных шин и расположенных в виде сэндвич-структуры между двумя теплопроводящими пластинами. При этом между коммутационными шинами и теплопроводящей пластиной расположены адгезионный слой металлоорганического соединения со стороны коммутационной шины и слой материала на силиконовой основе.
Недостатком раскрытого выше ТЭ низкая теплопроводность известных клеевых теплопроводных компаундов, что снижает скорость температурных фронтов в циклических применениях и вносит паразитное тепловое сопротивление в статических применениях ТЭ, снижая эффективность их работы.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей заявленной полезной модели является разработка термоэлектрического модуля, обладающего повышенным сроком службы.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение срока службы термоэлектрического элемента.
Указанный технический результат, достигается за счет того, что ТЭ содержит полупроводниковые ветви n- и р-типов проводимости, соединенные между собой металлическими шинами в электрическую цепь, при этом между полупроводниковыми ветвями п- и р-типов проводимости и металлическими шинами расположен слой алюминия.
Толщина слоя алюминия составляет 80-200 мкм.
Между полупроводниковыми ветвями n- и р-типов проводимости и слоем алюминия расположен адгезионный металлический слой в виде по крайней мере одного металла выбранного из группы: Mo, V, Cr, Ni или интерметаллического соединения Ni-Sn.
Поверх слоя алюминия наносят слой паячного металла, выбранного из группы: Ni, Cu.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Полезная модель будет более понятной из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
Фиг. 1 - Конструкция термоэлектрического элемента (вариант 1).
Фиг. 2 - Конструкция термоэлектрического элемента (вариант 2).
Фиг. 3 - Конструкция термоэлектрического элемента (вариант 3).
1 - полупроводниковая ветвь n-типа проводимости; 2 - полупроводниковая ветвь р-типа проводимости; 3 - адгезионный металлический слой; 4 - слой алюминия; 5 - металлическая шина, 6 - слой паячного металла.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
ТЭ содержащий полупроводниковые ветви n- и р-типов проводимости, соединенные между собой металлическими шинами (5) в электрическую цепь, при этом между полупроводниковыми ветвями (1, 2) n- и р-типов проводимости и металлическими шинами (5) расположен слой алюминия (4).
-3
Толщина слоя алюминия (4) составляет 80-200 мкм. Толщина слоя алюминия обеспечивать снятие механических напряжений за счет пластических свойств алюминия. Учитывая большую величину коэффициента термического расширения алюминия (около 20×10 1/град) по сравнению с наиболее используемыми термоэлектрическими материалами системы Bi2Te3 - Bi2Se3-Sb2Te3 или PbTe развиваемый термоэлектрическим элементом перепад до 70 С, экспериментально была установлен указанный интервал толщины слоя, не приводящий к отслаиванию слоя алюминия или потери пластичности.
Между полупроводниковыми ветвями (1,2) n- и р-типов проводимости и слоем алюминия (4) расположен адгезионный металлический слой (3) в виде по крайней мере одного металла выбранного из группы: Mo, V, Cr, Ni или интерметаллического соединения Ni-Sn.
Заявленный ТЭ изготавливают следующим образом.
На шайбу полупроводникового материала n-типа наносится газодинамическим способом или плазменным способом слой алюминия (4) толщиной 80-200 микрон. Затем при помощи пайки на слой алюминия (4). При необходимости, между полупроводниковым материалом n-типа и слоем алюминия (4) гальваническим, химическим, газодинамическим или плазменным способом наносят адгезионный металлический слой (3) в виде по крайней мере одного металла выбранного из группы: Mo, V, Cr, Ni или интерметаллического соединения Ni-Sn, обеспечивающий хорошую адгезию этого слоя к полупроводнику. После указанных операций шайбу разрезаются на ветви полупроводникового материала n-типа (1). Аналогичным образом получают ветви полупроводникового материала р-типа (1). Далее берут необходимое количество полупроводниковых ветвей n-типа и р-типа с нанесенными на них указанными выше слоями и при помощи пайки слой алюминия соединяют с металлическими шинами (5) с образованием термоэлектрического элемента.
В случае если пайка осуществляется припоями, не пригодными для пайки алюминия, то для обеспечения дальнейшей коммутации металлических шин (5) поверх слоя алюминия (4) наносят слой (6) паячного металла (например, Ni, Cu) теми же способами, что и адгезионный металлический слой (3).
Принцип работы заявленного ТЭ состоит в том, что к металлическим шинам (5) ТЭ прикладывают постоянное напряжение. При прохождении тока через полупроводниковые ветви (1,2) n- и р-типов проводимости (в случае применения ТЭ в термоэлектрических охлаждающих модулях) на одной из тепло проводящих пластин поглощается некоторое количество теплоты, а на другой пластине выделяется некоторое количество теплоты в соответствии с эффектом Пельтье.
Эксперименты для циклов +40\+90°С, с длительностью цикла около 30 секунд для ТЭ размером 40 × 40 см, содержащих 199 пар полупроводниковых ветвей с размерами: высота 0,85 мм, поперечное сечение 1,43 × 1,43 мм с толщиной слоев Al 80-200 микрон показали увеличение времени жизни ТЭ в 3-4 раза по сравнению с ТЭ без слоев Al.
Полезная модель была раскрыта выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления полезной модели, не меняющие ее сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, полезную модель следует считать ограниченным по объему только ниже следующей формулой полезной модели.