КАСКАДНОЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
CASCADE LIGHT-EMITTING THERMOELECTRIC UNIT

Изобретение относится к системам охлаждения и теплоотвода, например к устройствам для охлаждения компьютерного процессора.
Известен способ отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов в виде излучения [1], в котором используются светодиодные излучатели, предназначенные для преобразования тепловой энергии, поступившей с холодных спаев термомодуля в виде электрического тока в энергию излучения, отводящего тепло от охлаждаемого устройства в окружающую среду.
Цель изобретения - получение сверхнизких температур в процессе охлаждения и теплоотвода.
Это достигается тем, что применяются светоизлучающие термомодули. Светоизлучающий термомодуль позволяет уменьшить паразитный кондуктивный перенос со стороны горячего спая, который нагревается гораздо меньше за счет того, что часть энергии уходит в виде излучения, а не преобразуется в тепло на горячем спае. Уменьшение кондукции между горячими и холодными спаями позволяет выполнять p-n-переходы и сами. спаи в виде тонких пленок.
Это придает новые качества термоэлектрическому устройству. Прежде всего, при определенной толщине пленки становятся прозрачными для излучения. Это позволяет каскадировать термоэлектрические устройства, так как свет от нижних слоев может уходить через верхние слои в окружающую среду, унося энергию. Вторым преимуществом является значительное уменьшение сопротивления полупроводниковых пленок за счет уменьшения толщины, что приводит к тому, что джоулевые тепловыделения становятся практически несущественными, при этом термоэлектрические явления полностью сохраняются. Кроме топ, тепло от источника беспрепятственно кондуктивно проходит ко всем охлаждающим слоям за счет малой толщины пленок и высокой их теплопроводности, а отвод тепла осуществляется беспрепятственно через прозрачные слои термоэлектрического устройства от светоизлучающих p-n-переходрв. Дополнительный эффект может быть достигнут при толщине пленки полупроводника меньше длины свободного пробега электрона, так как в этом случае практически полностью исчезает сопротивление при движении электронов и уменьшаются паразитные тепловыделения.
В отличие от обычных каскадных термомодулей предлагаемый многослойный модуль имеет одинаковую площадь всех каскадов и не нуждается в ступенчатом уменьшении площади верхних каскадов.
Увеличивая количество каскадов можно увеличивать степень охлаждения до тех пор, пока интегральная прозрачность всех светоизлучающих пленок позволяет эффективно отводить энергию в виде излучения в окружающую среду. Однако, уже при пяти каскадах возможно достижение температуры абсолютного нуля по Кельвину, что делает дальнейшее наращивание каскадов контрпродуктивным.
На фиг.1 представлена конструкция оптического многослойного каскадного светоизлучающего термомодуля.
Конструкция термоэлектрического устройства представляет собой каскадный (многослойный) термомодуль, состоящий из термомодулей, в которых в качестве полупроводниковых ветвей p-типа 4 и n-типа 5 выбраны такие материалы, что протекающий ток на одном из спаев 2 будет формировать излучение, а не нагрев, как в обычном термомодуле, причем в другом спае 3 будет происходить поглощение тепловой энергии в соответствии с эффектом Пельтье. Каскады разделены электроизолирующими слоями 1 с высокой прозрачностью и теплопроводностью. Питание осуществляется постоянным током от источника 6.
В качестве материалов для изготовления ветвей p-типа и n-типа термомодуля используют те же материалы, из которых изготавливают светодиоды, а именно арсенид галлия (GaAs), нитдид галлия (GaN), карбид кремния (SiC) и др.
В качестве материала для изготовления электроизолирующих слоев могут быть использованы окислы кремния или алюминия, получаемые в едином технологическом цикле с остальными компонентами устройства.
Использование представленного устройства позволит получить сверхнизкие температуры для работы компьютерных процессоров в сверхпроводящем режиме, при котором полностью отсутствуют джоулевые тепловыделения и остаются только термоэлектрические явления. Это позволит существенно повысить степень интеграции компьютерных процессоров и снизить энергопотребление, как самого процессора, так и его систем охлаждения.
Литература
1. Способ отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов в виде излучения: пат. 2405230 Рос. Федерация: МПК G06F 1/20 / Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Нежведилов Т.Д., Челушкина Т.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». - №2009120686/09; заявл. 01.06.2009, опубл. 27.11.2010, Бюл. №33