RU10289U1 - Термоэлектрический охлаждающий модуль - Google Patents

Abstract

1. Термоэлектрический охлаждающий модуль, содержащий охлаждающую и теплоотводящую теплообменные пластины, установленные на расстоянии друг от друга одна под другой, размещенную между теплообменными пластинами группу термоэлементов, каждый из которых включает полупроводниковые ветви n и p-типа проводимости, соединенные электропроводными коммутационными шинами, которые присоединены своими контактными поверхностями к теплообменным пластинам посредством теплоконтактного соединения, отличающийся тем, что теплоконтактное соединение выполнено из высокотеплопроводного, клеевого, упругого материала, толщина которого составляет 10 - 70 мкм, при этом площадь поверхности теплоконтактного соединения, соприкасающейся с каждой коммутационной шиной, не менее площади ее контактной поверхности.2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что теплоконтактное соединение выполнено в виде отдельных участков, каждый из которых соединяет соответствующую коммутационную шину с теплообменной пластиной.3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что теплоконтактное соединение выполнено в виде сплошного слоя.4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что теплоконтактное соединение выполнено из материала с высоким электрическим сопротивлением.5. Модуль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из теплообменных пластин выполнена из алюминия или его сплавов и имеет по меньшей мере на поверхности, обращенной к полупроводниковым ветвям, покрытие, выполненное в виде окисной пленки толщиной 6 - 30 мкм.6. Термоэлектрический охлаждающий модуль, содержащий охлаждающую и теплоотводящую теплообменные пластины, установленные на расстоянии друг от друга одна

Description

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАУКДАЮЩ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к термоэлектрическим приборам и может быть использована в термоэлект})ическю{ охлаждающих модулях, применяемых в радиоэлектронике, медицине и устройствах, которые эксплуатируются преимущественно в условиях многократного термоциклирования (нагрев - охлаждение).

Известен термоэлектрический охлаждающиГг (см. свидетельство РФ jYi 6470, МКМ; H01L35/28, . 16.04.98, БИ Х 4), содержащий охлаждающую и теплоотводящую теплообменные пластины и размешенные между ними термоэлементы, каждый из которых включает полупроводниковые ветви п и ртипа проводимости. Ветви соединены собой посредством комм т щионных тин, соединенных с теплообменным1в пластиками, причем по меньщей мере к одной из них, предпочтительно к охлаясдающей 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 силоксановой основе, например из силиконовой резины.

Недостатком известного модуля является исгюльзование для теплоконтактного соединения узкого круга материалов, ограниченного клеевыми упругими материалами, обладающими низкой теплопроводностью. При прохождении теплового потока через такие материалы возникают паразитные перепады темг1ерат р, особенно при значительной их толщине, поэтому толщина слоя теплоконтактного соединения не может превыщать 50 мкм. Уве-пичение толщины слоя свыще 50 мкм приводит к неоправданно высоким паразитным перепадам температуры на слое практически без улучщения его прочностных характеристик. Присоединение коммутационных шин к теплообмеиным пластинам слоем теплоконта1стного соединения менее 50 мкм сопряжено с выполнением ряда дорогостоящих технологических операции, что приводит к высокой стоимости модуля. Кроме того, тонкий слой теплоко1ггактного соединения плохо снимает механические напряжения.

Задачей настоящейполезной модели является повышение эксплуатационной надежности термоэлектрического охлаждающего модуля при одновременном упрощеняи технологии его изготовления.

Поставленная задача решается тем, что в термоэлектрическом охлаждающем модуле, содержащем охлаждающую и теплоотводящую теплообменные пластины, установленные на расстоянии друг от друга одна под другой, размещенную между теплообменными пластинами группу термоэлементов, каждый из которых включает полупроводниковые ветви п и р-типа проводимости, соединенные электропроводными коммутационными щинами. которые присоединены своими контактными поверхностями к теплообменным пластинам посредством теплоконтактного соединения, согласно полезной модели, теплоконтактное соединение выполнено из высокотеплопроводного, клеевого, упругого материала, толщина которого составляет 10 - 70 мкм, при этом площадь поверхности теплоконтактного соединения, соприкасающейся с каждой коммутационной шиной, не менее площади ее контактной поверхности. Теплоконтактное соединение может бьггь выполнено либо в виде отдельных участков, каждый из которых соединяет соотвегствугощую коммутационную шину с теплообменной пластиной, либо в виде сплошного слоя. Предпочтительно, чтобы теплоконтакткое соединение было бы выполнено из материала с высоким электрическим сопротивлением. По меньшей мере одна теплообменная пластина может бьггь выполнена из

алюминия и его сплавов и иметь покрытие в виде окисной пленки толщиной 6 30 мкм.

Поставленная задача решается также тем, что по меньшей мере охлаждающая теплообменная пластина выполнена из электроизоляционного высокотеплопроводногО. клеевого, упругого материала. В этом случае она непосредственно присоединяется к коммутационным шинам. Оптимальная толщина пластины при этом составляет 30 - 100 .мкм. Кроме того, выщеуказанная пластина может быть выполнена с выступами, расположенными между термоэлементами и присоединенными к боковым повер.хностям смежных KOM.vn-TaunoHHbrx шин, при этом оптимальная высота каждого из вьютупов составляет 0.1 - 0.7 мм.

Предлагаемая гголезная модель в дальнейшем поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг 1 изображает общий вид термоэлектрического охлаждающего модуля, вил сбоку;

фиг 2 - термоэлемент модуля, соединенный с одной из теплообменных пластин;

фиг 3 - вариант выполнения теплоконтактного соединения в втаде отдельных участков;

фиг 4 - вариант выполнения теплоконтактного соединения в виде сплошного слоя;

фиг 5 - выполнение теплообменной пластины с окисной пленкой на ее поверхности;

фиг 6 - фрагмент модуля, в котором теплообменная пластина непосредственно присоединена к комм тационным шинам;

фиг 7 - выполнение теплообменной пластины с выст пами между термоэлементами.

Термоэлектрический охлаждающий модуль содержит охлаждающую и теплоотводящую теплообменные пластины 1и 2 (фиг 1) соответственно, которые выполнены, например, в виде прямоугольных листов, расположенных одна под другой параллельно друг относительно друга. Между теплообменными пластинами и 2 расположены термоэлеме1ггы 3. каждый из которых включает полупроводниковую ветвь п-ти17а проводимости 4, выполненную, например, из сплавов на основе висмхпга, селена и теллура, к полупроводниковую ветвь р-типа проводимости 5. выполненную, например, из сплавов на основе . сурьмы и теллура. Полупроводниковые ветви 4 и 5 соединены меясцу собой коммутационными шинами 6. изготовленными из материалов с низким электрическим сопротивлением, например из меди и алюминия, и присоединенными к ним посредством контактов 7. Коммутационные шины 6 соединены с теплообменными пластинами 1 и 2, причем по меньшей мере с одной из них они соединены посредством теплоконтактного соединения 8, которое выполнено из упругого, клеевого, теплопроводного материала. Предпочтительно использовать теплоко1ггактное соединение 8 для присоединения, как это показано на фиг 1, комм тационных шин 6 к охлаждающей теплообменной пластине 1, размешенной на охлаждаемом объекте. Это вызвано тем, что при термоциклировании наибольшее изменение температур, а следовательно, и наибольшие термомеханические напряжения возникают именно в теплоконтактном соединении 8, расположенном на охлаждающей теплообменной пластине 1. В то же время теплоконтактное соединение 7, расгюложенное на теплоотводящей пластине 2, работает в процессе термоциклирования при незначительных изменениях температуры, поскольку для теплоотвода с них, как правило, используются дополнительные специальные теплообменники, например радиаторы, вентиляторы или жидкостные теплообменники ( на фиг. не показаны), которые обеспечивают относительную стабилизацию температуры теплоотводящей пластины 2.

Теп л о контактное соединение 8 изготавливается из упругих, клеевых, высокотеплопроводных материалов, например компаунда на силиконовой или акриловой основе с мелкодисперсными наполнителями из высокотеплопроводиых материалов. Такие материалы должны обладать хорошей упругостью { удлинение при разрыве 70 - 200 %), высокой теплопроводностью ( коэффициент теплопроводности находится в диапазоне Х 0,8 - 3,0 Вт/ м °К ) и хорошими адгезионными свойствами {адгезионная прочность к алюминию 10-20 кг/см ). Перечисленным фебованиям.удовлетворяют компаунды в виде однокомпонентных клеев типа RTV; компаунды фирмы TOSHIBA SILICONE ( Япония ) марки TSE 3941 или ко.мпаунд фирмыSHIN-ETSU Со ( Япония ) марки КБ 3493. Эксперил1ентальным плтем была установлена оптима/льная толщина слоя 6 i ( фиг 2 ) теплоконтактного соединения 8, которая оказалась равной 6 i 10 -70 мкм, поскольку при толщине слоя менее10 мкм не чдается обеспечить

наделсмого присоединения KOMMSTauHOHHbJx шин 6 по всей поверхности теплообменных пластин 1 и 2, а увеличение толщины слоя свыше 70 мкм приводит к неоправданно высоким паразитным перепадам температу ы на слое теплоконтакгного соединения 8 без улучшения прочностных характеристик этого соединения.

При присоединении коммутационных шин 6 к теплоотводяшей пластине 2 (без использования теплоконтактного соединения) на нее наносят слой 9 металлизации.

Теплоконтактное соединение 8 может быть выполнено в виде отдельных участков 10. каждый из которых соединяет соответствующую коммзпгационную шину 6, например, с охлаждающей теплообменной пластиной 1. Площадь поверхности 11 каждого участка 10, соприкасающейся с каждой комл-гутационной шиной 6, должна быть не менее площади контактном поверхности этой коммутационной шины. Присоединение отдельных участков 10 к теплообменной пластине 2 осуществляегся с использованием соответствуюи1их трафаретов с дозированным нанесением материала теплокон1 1ктного соединения 8 до его отверждения, которое обычно проводится при незнач ггель1 ых температлфах отверждения ( t 18 - 150°С). Это позволяет обеспечить экономию материала, из которого изготавливаются теплоконтактные соединения 8, что наряду с возможностью минимизации толшины этих соединений приводит к снижению стоимости модуля.

Теплоконтактное соединение 8 может быть выполнено в виде одного СПЛОШ1ЮГО слоя 12 ( фиг 4 ), обеспечивающего присоединение всех коммутационных шин 6, находящихся на теплооб.менной пластине 2. Благодаря такому выполнению теплоконтактного соединения 12 удастся существенно упростить технологию присоединения теплообменник пластин 1 и 2, поскольку не требуется применения -фафаретов, что также не способствует снижению стоимости модуля.

предпочтительно теплообменную пластину 1 или 2 выполнять из алюминия или его сплавов, например, могут использоваться сплавы марки AlMgSi 0,5 или марки AJMgSi I, поскольку при этом наряду с высокой теплопроводностью материала пластины и хорошей устойчивостью к воздействию термоциклирования, также достигается снижение стоимости модуля вследствие незначительной стоимости этих материалов. На поверхность теплообменной пластины 13 ( фиг 5 ), изготавливаемой из алюминия или его сплавов, наносится окисная пленка 14, например, посредством анодирования материала, из которого изготавливается пластина. Наличие окисной пленки 14 обеспечивает повышение надежности модуля за счет улучшения электроизоляционных свойств теплоконтактного соединения 7. пленки 14 и пластины 13 практически без изменения тепловых сопротивлений этих соединений. Экспериментально была установлена оптимальная толщина окисной пленки 14. которая оказалась равной 6 2 6 - 30 мкм. При толщинах пленки 14 менее 6 мкм не удается обеспечить надежности электрического сопротивления пленки 14. а при толщине, превышающей 30 мкм. не наблюдалось дальнейшего улучшения электроизоляционных свойств пленки 14, и при этом увеличивались расходы на изготовление пленки большей

ТОЛ1ДИНЬ(.

В другом варианте выполнения предлагаемого термоэлектрического охлаж-даюи1его уюдуля, согласно полезной модели, теплообменную пластину 1 5 (фиг 6 ) выполняют из упругого, клеевого, высокотеапопроводного электроизоляционного материала, например компаунд марки TSE 3941. В этом случае коммутационные шины 16 непосредствен не присоединяются к теплообменной пластине 1 5, при этом функцию теплообмениой пластины выполняет материал теплоконтактного соединения, что приводит к существенному снижению стоимости модуля. Экспериментально была установлена оптимальная толщина подобной теплообменной пластины 15, которая оказалась равной 30 - 100 мкм, поскольку при толщине менее 30 мкм недостаточна механическая прочность пластины 15, а при толщинах, превышающих 100 мкм,начинают сказываться потери вследствие перепада температур на пластине 15.

Для повышения эксплуатационной надежности теплообменную пластину

15целесообразно выполнять с выступами 17 (фиг 7 ), которые располагаются между боковыми поверхностями смежных коммутационных шин 16 и присоединены к их боковым поверхностям 18 и 19. Тем самым коммутационные шины

16выполняют функции армирующих элементов теплообменной пластины, способствуя повышению се механической прочности. 17 получают посредством нанесения утолщенного слоя неотпержденного теплоконтактного материала в процессе изготовления теплообменной пластины 15 с последуюши.м продавливанием неотвержденного материала в промежутки между боковыми поверхностя.ми сме;кных коммутационных шин 16 и присоединение. продавливаемого материала к этим поверхностям 18 и 19 одновременно с присоединением материала пластины 15 к теплококгактным поверхностям коммутационных шин 16. Экспериментально установлена оптимальная высота выступов 17, которая оказалась равной5 0.1 - 0,7 мм, что соответствует толшине обычно применяемых коммутационных шин 16. При высоте выступов менее 0,1 мм механическая прочность теплообменной пластины 15 увеличивалась незначительно, а увеличение высоты 17 более 0,7 мм нежелательно, поскольку затруднено продавливание теплоконтактного материала на такую глубину, особенно fipH малых зазорах между боковыми поверхностями смежных коммутационных шин 16.

При эксплуатации заявленного тер.моэлектрического охлаждающего модуля внешнюю поверхность его охлаждающей теплообменной пластины 1 (фиг 1) состы- козывают с охлаждаемым объектом ( на фиг. не показан), при этом к внешней по -верхности противоположной теплоотводящей пластины 2 обычно пристыковывают теплосъемное ycTpoitehro ( на фиг. не показано). Источник

постоянного тока (на фиг. не показан ) присоединяют к концевым коммутационным шинам 6 модуля и пропускают через полупроводниковые ветви 4, 5 постоянный ток. Вследствие эффекта Пельтье на спаях ветвей 4 , 5 и коммутационных шин б, расположенны.х на пластине 1, происходит поглощение тепловоГ энергии и соответствующее постепенное о.клаждение до требуемой температчры охлаждаемого объекта. На спаях ветвей 4, 5 и коммутационных щин 6, расположенных на пластине 2, при этом происходит выделение тепловой энергии, которая затем отводится с внешней поверхности пластины 2. В процессе охлаждения возникают термомеханические напряжения в контактных теплопереходах и контактах 7 модуля, которые компенсируются упругим материалом теплоконтактного соединения 8. После выхода на требуемый температурный режим объект выдерживают требуе.мое время и затем отключают источник постоянного тока. Происходит нагрев охлаждающей теплообменной пластины 1 и расположенных на ней теплоконтактных соединений 8 модуля и, возникающие при этом термомеханические напряжения в сопрягаемых узлах модуля вновь компенсируются упругим материалом те(7локонтактных соединений 8. Использование в заявленном модуле упругого, клеевого материала для присоединения коммута1|ионных щин 6 к теплообменной пластине I позволяет при многократном термоциклировании по завершении каждого термоцикла полностью восстанавливать первоначальную форму теплоконтактных соединений 8, что также способствует повышению эксплуатационной надежности модуля.

В сравнении с известными термоэлектрическими охлаждающими модулями заявленный модуль обладает повышенной надежностью при эксплуатации в условиях многократного термоциклирова1гия. Так, при проведении сравнительных испытаний, в которых при гсрмоциклировании перепад температур на модуле составлял 50°С, известный модуль выдержал не более 600 термоциклов ( нагрев - охлаждение) после чего его характеристики ( например, внуфеннее сопротивление, паразитные перепады температур и др. ) выходили за требуемые пределы. В то же время при испытаниях в аналогичных условиях заявленный модуль выдержал более 40.000 термоциклов и его характеристики при этом остались в допустимых пределах. 3 1явленныГ модуль лучше переносил ударные и вибрационные нагрузки, благодаря упругим свойствам материала теплоконтактных соединений. Кроме того, стоимость заявленного термоэлектрического модуля удалось снизить более чем на 10 %. особенно при использовании теплообменной пластины, выполненной из упругого, клеевого, высокотеплопроводного электроизоляционного материала с непосредственным присоединением к кокл-тационным шинам. Это объясняется тем, что пря изготовлении заявленного термоэлекгрического охлаждающего модуля присоединение комт-тационных шин к теплообменной пластине-проводится с использованием более простых операций.

Claims (9)

1. Термоэлектрический охлаждающий модуль, содержащий охлаждающую и теплоотводящую теплообменные пластины, установленные на расстоянии друг от друга одна под другой, размещенную между теплообменными пластинами группу термоэлементов, каждый из которых включает полупроводниковые ветви n и p-типа проводимости, соединенные электропроводными коммутационными шинами, которые присоединены своими контактными поверхностями к теплообменным пластинам посредством теплоконтактного соединения, отличающийся тем, что теплоконтактное соединение выполнено из высокотеплопроводного, клеевого, упругого материала, толщина которого составляет 10 - 70 мкм, при этом площадь поверхности теплоконтактного соединения, соприкасающейся с каждой коммутационной шиной, не менее площади ее контактной поверхности.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что теплоконтактное соединение выполнено в виде отдельных участков, каждый из которых соединяет соответствующую коммутационную шину с теплообменной пластиной.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что теплоконтактное соединение выполнено в виде сплошного слоя.

4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что теплоконтактное соединение выполнено из материала с высоким электрическим сопротивлением.

5. Модуль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из теплообменных пластин выполнена из алюминия или его сплавов и имеет по меньшей мере на поверхности, обращенной к полупроводниковым ветвям, покрытие, выполненное в виде окисной пленки толщиной 6 - 30 мкм.

6. Термоэлектрический охлаждающий модуль, содержащий охлаждающую и теплоотводящую теплообменные пластины, установленные на расстоянии друг от друга одна под другой, размещенную между теплообменными пластинами группу термоэлементов, каждый из которых включает полупроводниковые ветви n и p-типа проводимости, соединенные электропроводными коммутационными шинами, которые присоединены к теплообменным пластинам, отличающийся тем, что по меньшей мере охлаждающая теплообменная пластина выполнена из электроизоляционного, высокотеплопроводного, клеевого, упругого материала и непосредственно присоединена к коммутационным шинам.

7. Модуль по п.6, отличающийся тем, что указанная пластина, выполненная из высокотеплопроводного, клеевого, упругого материала, имеет толщину, составляющую 30 - 100 мкм.

8. Модуль по п.6, отличающийся тем, что указанная пластина, выполненная из высокотеплопроводного, клеевого, упругого материала, имеет выступы, расположенные между термоэлементами и присоединенные к боковым поверхностям смежных коммутационных шин.

9. Модуль по п.8, отличающийся тем, что высота каждого выступа составляет 0,1 - 0,7 мм.