ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Предлагаемая полезная модель относится к термоэлектрическим приборам, работающим на эффекте Пельтье и предназначена для использования в различных системах охлаждения и нагревания: в холодильниках, термостатах, устройствах охлаждения узлов и блоков электронной аппаратуры, а также в термоэлектрических генераторах постоянного тока.
Известен термоэлектрический модуль, включающий в себя полупроводниковые элементы с проводимостями р- и n-типов, соединенные между собой металлическими шинами в единую электрическую цепь и размещенные таким образом, что все горячие спаи выходят на одну сторону и соединены с одной подложкой, а все холодные спаи - на противоположную и соединены с другой подложкой (1).
При прохождении постоянного тока по такой электрической цепи одна подложка охлаждается, а противоположная нагревается. Это свойство термоэлектрического модуля используется для создания различных холодильных устройств, "откачивающих" тепловую энергию из рабочего пространства во внешнюю среду.
Недостатком данной конструкции термоэлектрического модуля является низкая эффективность его работы, обусловленная тем, что расстояние между горячей и холодной сторонами термоэлектрического модуля слишком мало и из-за теплового влияния, которое они оказывают друг на друга, получить большой перепад температур не представляется возможным.
Наиболее близким к предлагаемому термоэлектрическому модулю является термоэлектрический модуль, включающий в себя полупроводниковые элементы с проводимостями р- и n-типов, соединенные между собой металлическими шинами в единую электрическую цепь таким образом, что все горячие спаи выходят на одну сторону и соединены с одной подложкой, а все холодные спаи - на противоположную и соединены с другой подложкой, при этом каждый из полупроводниковых элементов р- и n-типов проводимостей состоит из двух разнесенных частей, соединенных между собой металлическим проводником с длиной каждого из них, обеспечивающей возможность разнесения их на заданное расстояние (2).
Недостатком этой конструкции является то, что хотя тепловое влияние подложек друг на друга сводится к минимуму или практически полностью устраняется и эффективность ее по сравнению с предыдущей резко возрастает при малых и средних токах, однако при токах значительной величины джоулево тепло, выделяющееся в полупроводниковых элементах, обладающих большим омическим сопротивлением, нивелирует эффект Пельтье и, в конечном счете, сводит на нет преимущества этой конструкции.
Техническим результатом данного решения является повышение эффективности термоэлектрического модуля за счет снижения в несколько раз омического сопротивления полупроводниковых элементов р- и n-типов проводимостей, являющихся звеньями единой электрической цепи и составной частью конструкции, которая и при токах значительных величин будет оставаться эффективной.
Для достижения данного технического результата в предлагаемом термоэлектрическом модуле, включающем в себя полупроводниковые элементы с проводимостями р- и n-типов, соединенные между собой металлическими шинами в единую электрическую цепь таким образом, что все горячие спаи выходят на одну сторону, а все холодные спаи - на противоположную, каждый из полупроводниковых элементов р- и n-типов проводимостей состоит из двух разнесенных частей, соединенных между собой металлическим проводником с длиной, обеспечивающей возможность разнесения их на заданное расстояние, при этом сами полупроводниковые элементы, нанесенные методом порошкового напыления на контактные площадки проводников выполнены толщиной 50-250 мкм, а площади их поперечного сечения увеличены до размеров, обеспечивающих минимальную плотность проходящего через них тока, а металлические шины, соединяющие полупроводниковые элементы с проводимостями р- и n-типов в единую электрическую цепь, выполняют одновременно и роль подложек.
На фиг.1 и 2 - схематично показана конструкция термоэлектрического модуля.
Термоэлектрический модуль состоит из полупроводниковых элементов 1 и 2 с проводимостями р- и n-типов, соединенных между собой металлическими шинами 3 в единую электрическую цепь, представляющую собой жесткую металлическую конструкцию, в которой все горячие спаи выходят на одну сторону, а все холодные спаи - на противоположную. Каждый из полупроводниковых элементов 1 и 2 р- и n-типов проводимостей состоит из двух разнесенных частей, соединенных между собой металлическим проводником 4 через его контактные площадки 5, при этом сама конструкция имеет диэлектрическое покрытие, что позволяет использовать термоэлектрический модуль без подложек, а промежуток между горячей и холодной сторонами модуля может быть заполнен экологически чистым материалом с низкой теплопроводностью.
Термоэлектрический модуль работает следующим образом.
При прохождении постоянного тока по электрической цепи, состоящей из полупроводниковых элементов 1 и 2 р- и n-типов проводимостей, соединенных между собой металлическими шинами 3 и размещенных таким образом, что все горячие спаи выходят на одну сторону, а все холодные спаи - на противоположную, возникает разность температур между сторонами модуля - одна сторона нагревается, а другая охлаждается, при этом за счет уменьшения толщины полупроводниковых элементов 1 и 2 р- и n-типов проводимостей до 50-250 мкм и увеличения площади их поперечного сечения до размеров, позволяющих максимально уменьшить плотность проходящего через них тока, омическое сопротивление в этих полупроводниковых элементах уменьшится в несколько раз, в результате чего негативное влияние джоулева тепла, выделяющегося при прохождении через них тока, будет минимально или практически полностью исключено. Это обеспечивает значительное повышение эффективности работы термоэлектрического модуля.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Патент РФ 2075138, H01L 35/30, H01L 35/34, 1993 г.
2. Патент РФ 108695, H01L 35/00, F25B 21/02, 2011 г.