RU131238U1 - COOLING MULTI-LAYER STRUCTURE - Google Patents

COOLING MULTI-LAYER STRUCTURE Download PDF

Info

Publication number
RU131238U1
RU131238U1 RU2013104136/28U RU2013104136U RU131238U1 RU 131238 U1 RU131238 U1 RU 131238U1 RU 2013104136/28 U RU2013104136/28 U RU 2013104136/28U RU 2013104136 U RU2013104136 U RU 2013104136U RU 131238 U1 RU131238 U1 RU 131238U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metal layer
layer
semiconductor material
layers
atoms
Prior art date
Application number
RU2013104136/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Васильевич Каминский
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СмС тензотерм Рус"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СмС тензотерм Рус" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СмС тензотерм Рус"
Priority to RU2013104136/28U priority Critical patent/RU131238U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU131238U1 publication Critical patent/RU131238U1/en

Links

Images

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

1. Охлаждающее устройство, выполненное из многослойной структуры, состоящей из нижнего, нанесенного на охлаждаемую поверхность, и верхнего металлических слоев, разделенных, по крайней мере, одним слоем полупроводникового материала на основе сульфида самария SmS, и контура с нагрузочным сопротивлением, соединяющего верхний и нижний металлические слои.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве полупроводникового материала используется сульфид самария, легированный атомами Ln семейства лантаноидов SmLnS, причем x=0÷0,17, y=0÷0,15 и x+y<0,17.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что величина хотя бы одной из концентраций «x» и «y» монотонно возрастает в направлении от нижнего металлического слоя к верхнему металлическому слою.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что включает два или более последовательно расположенных слоя полупроводникового материала SmLnS, причем величина хотя бы одной из концентраций "x" и "y" возрастает от слоя к слою в направлении от нижнего металлического слоя к верхнему металлическому слою, тогда как в пределах каждого из упомянутых слоев как концентрация "x", так и концентрация "y" приблизительно постоянны.5. Устройство по пп.2-4, отличающееся тем, что в качестве атомов Ln используется гадолиний Gd или церий Ce, причем концентрации атомов удовлетворяют соотношениям y≤0,15, x≤0,2.1. A cooling device made of a multilayer structure consisting of a lower metal layer applied to a cooled surface and an upper metal layer separated by at least one layer of a semiconductor material based on samarium sulfide SmS, and a circuit with a load resistor connecting the upper and lower metal layers. 2. The device according to claim 1, characterized in that samarium sulfide doped with Ln atoms of the lanthanide family SmLnS is used as the semiconductor material, wherein x=0÷0.17, y=0÷0.15 and x+y<0.17. 3. The device according to claim 2, characterized in that the value of at least one of the concentrations "x" and "y" monotonically increases in the direction from the lower metal layer to the upper metal layer. The device according to claim 2, characterized in that it includes two or more successively located layers of the semiconductor material SmLnS, wherein the value of at least one of the concentrations "x" and "y" increases from layer to layer in the direction from the lower metal layer to the upper metal layer, while within each of the mentioned layers both the concentration "x" and the concentration "y" are approximately constant. 5. The device according to claims 2-4, characterized in that gadolinium Gd or cerium Ce is used as Ln atoms, wherein the concentrations of the atoms satisfy the ratios y≤0.15, x≤0.2.

Description

Полезная модель относится к термоэлектрическим устройствам охлаждения объектов микро- и оптоэлектроники.The utility model relates to thermoelectric devices for cooling micro and optoelectronic objects.

Работа электронных приборов (например, транзисторов, интегральных микросхем, лазерных диодов и др.) сопровождается выделением тепла. При увеличении температуры прибора его характеристики, как правило, ухудшаются (например, происходит возрастание уровня шумов, снижение коэффициента усиления, снижение полезной мощности и т.д. в зависимости от типа прибора), а при дальнейшем увеличении температуры может произойти отказ в работе прибора. Эта проблема особенно актуальна для быстродействующих устройств передачи и обработки информации.The operation of electronic devices (for example, transistors, integrated circuits, laser diodes, etc.) is accompanied by heat generation. As the temperature of the device increases, its characteristics tend to deteriorate (for example, an increase in noise level, decrease in gain, decrease in useful power, etc., depending on the type of device), and with a further increase in temperature, the device may fail. This problem is especially relevant for high-speed devices for transmitting and processing information.

Для стабилизации или снижения температуры работающего электронного прибора могут быть использовано воздушное или водяное охлаждение. Их недостатками являются большие размеры, а также дополнительное потребление электроэнергии.To stabilize or reduce the temperature of a working electronic device, air or water cooling can be used. Their disadvantages are large sizes, as well as additional energy consumption.

Для охлаждения микрообъектов используют, как правило, термоэлектрические устройства, основанные на эффекте Пельтье (см., патенты США №3006979, 3409475, 4859250). Они выполнены из пары или нескольких пар электродов, изготовленных из материалов с разными коэффициентами Пельтье. При пропускании электрического тока через такие соединения вследствие эффекта Пельтье в области одного из контактов (группы контактов) разнородных материалов происходит поглощение тепла, а в области другого контакта (группы контактов) имеет место выделение тепла. Вариантом устройства для охлаждения на основе эффекта Пельтье являются многокаскадные элементы (патенты США №5040381, 4833889, 5385022). Другим вариантом, описанным в патенте РФ №2310950, является термоэлектрическое устройство на основе эффекта Пельтье, в котором тепло, поглощенное в области терморегулирования, выделяется на коммутационных площадках, удаленных на значительное расстояние от терморегулируемой области.For cooling microobjects, thermoelectric devices based on the Peltier effect are usually used (see, US Pat. Nos. 3006979, 3409475, 4859250). They are made of a pair or several pairs of electrodes made of materials with different Peltier coefficients. When electric current is passed through such compounds due to the Peltier effect, heat is absorbed in the region of one of the contacts (group of contacts) of dissimilar materials, and heat is released in the region of the other contact (group of contacts). A variant of the device for cooling based on the Peltier effect are multistage elements (US patent No. 5040381, 4833889, 5385022). Another option described in the patent of the Russian Federation No. 2310950 is a Peltier-based thermoelectric device in which the heat absorbed in the area of thermoregulation is released on the switching platforms located at a considerable distance from the thermoregulated area.

Основным недостатком устройств, основанных на использовании эффекта Пельтье, является необходимость пропускания через них электрического тока, что привалит к дополнительному потреблению электроэнергии, которое может быть сопоставимо или даже превосходить потребление электроэнергии охлаждаемым устройством микро- (опто-) электроники.The main disadvantage of devices based on the use of the Peltier effect is the need to pass an electric current through them, which will lead to additional electricity consumption, which can be comparable to or even exceed the energy consumption of a cooled micro (opto) electronics device.

В качестве прототипа предлагаемого устройства выбрано устройство, описанное в патенте РФ №Ю2851, основанное на выявленном автором эффекте охлаждения образца из полупроводникового сульфида самария (SmS) при генерации электрического напряжения за счет термовольтаического эффекта, возникающего при нагревании образца.As a prototype of the proposed device, the device described in the patent of the Russian Federation No. J2851 was selected based on the effect of cooling a sample of semiconductor samarium sulfide (SmS) detected by the author when generating voltage due to the thermovoltaic effect that occurs when the sample is heated.

Устройство-прототип представляет собой слоистую структуру, состоящую из слоя полупроводникового материала SmS (сульфида самария) и слоя твердого раствора Sm1-xYyxS (Yy обозначает один из следующих элементов: La, Се, Gd, Pr, Nd, Dy, Ho, Еr) с контактными площадками, электрически соединенными с внешними поверхностями слоистой структуры, и подсоединенными к ним токовыводами, замкнутыми между собой через электросопротивление нагрузки. При нагревании структуры температура контактной площадки на слое SmS растет быстрее температуры контактной площадки на слое Sm1-xYyxS, что позволяет использовать контактную площадку на слое Sm1-xYyxS для теплорегуляции объекта. Избыток тепловой энергии выделяется на нагрузочном электросопротивлении, которое может быть вынесено на необходимое удаление от теплорегулируемой области за счет удлинения токовыводов. Устройство-прототип позволяет реализовать стабильный и непрерывный процесс охлаждения микрообъекта без использования источников электроэнергии для функционирования охлаждающего устройства.The prototype device is a layered structure consisting of a layer of semiconductor material SmS (samarium sulfide) and a layer of solid solution Sm 1-x Yy x S (Yy denotes one of the following elements: La, Ce, Gd, Pr, Nd, Dy, Ho (Er) with contact pads electrically connected to the external surfaces of the layered structure and connected to them by current outputs, closed to each other through the electrical resistance of the load. When the structure is heated, the temperature of the contact pad on the SmS layer increases faster than the temperature of the contact pad on the Sm 1-x Yy x S layer, which makes it possible to use the contact pad on the Sm 1-x Yy x S layer for heat control of the object. An excess of thermal energy is released on the load electrical resistance, which can be brought to the necessary distance from the heat-regulated region due to the lengthening of the current outputs. The prototype device allows you to implement a stable and continuous process of cooling a micro-object without using sources of electricity for the functioning of the cooling device.

К недостаткам устройства-прототипа относится невысокое значение отводимой тепловой мощности, которая ограничена максимальными значениями тока и напряжения (их произведения), которые могут вырабатываться структурой SmS/Sm1-xYyxS при нагреве. В результате, устройство-прототип способно обеспечить охлаждение объектов кассой в несколько граммов всего на 30-40°С.The disadvantages of the prototype device is the low value of the heat output, which is limited by the maximum values of current and voltage (their products), which can be generated by the SmS / Sm 1-x Yy x S structure when heated. As a result, the prototype device is able to provide cooling of objects by a few grams cash desk by only 30-40 ° C.

Другим недостатком устройства-прототипа является трудность обеспечения хорошего теплового контакта между устройством-прототипом и поверхностью охлаждаемого электронного прибора. Это обусловлено тем обстоятельством, что приводимая в контакт поверхность охлаждаемого электронного прибора (например, поверхность подложки электронной микросхемы), как правило, не является идеально плоской, что затрудняет плотное прилегание к ней устройства-прототипа.Another disadvantage of the prototype device is the difficulty of ensuring good thermal contact between the prototype device and the surface of the cooled electronic device. This is due to the fact that the contacted surface of the cooled electronic device (for example, the substrate surface of the electronic microcircuit), as a rule, is not perfectly flat, which makes it difficult to snugly fit the prototype device to it.

Предлагаемая полезная модель решает задачу создания устройства, функционирующего без использования источников электроэнергии, способного обеспечить эффективное охлаждение объектов микро- и оптоэлектроники.The proposed utility model solves the problem of creating a device that operates without the use of electric power sources, capable of efficiently cooling micro and optoelectronic objects.

Устройство для охлаждения объектов микро- и оптоэлектроники, выполнено в виде нанесенного на поверхность, которую необходимо охладить, многослойного покрытия, состоящего из нижнего металлического слоя, поверх которого нанесен по крайней мере один слой полупроводникового материала Sm1+xLnyS, где х=0÷0,17, y=0÷0,15, причем х+y<0,17, и верхнего металлического слоя, соединенного с нижним металлическим слоем через удаленное нагрузочное сопротивление, причем величина хотя бы одной из концентраций «x» и «y» монотонно возрастает в направлении от нижнего металлического слоя к верхнему металлическому слою. Здесь Ln обозначает трехвалентные в моносульфидах атомы, относящиеся к III группе 6-го периода периодической таблицы элементов за исключением самария Sm. К ним относятся, например, атомы гадолиния Gd и церия Се.A device for cooling objects of micro- and optoelectronics, made in the form of a multilayer coating deposited on the surface to be cooled, consisting of a lower metal layer, on top of which at least one layer of semiconductor material Sm 1 + x Ln y S is applied, where x = 0 ÷ 0.17, y = 0 ÷ 0.15, with x + y <0.17, and the upper metal layer connected to the lower metal layer through a remote load resistance, and the value of at least one of the concentrations "x" and " y "monotonically increases in the direction from the lower m the metallic layer to a top metal layer. Here, Ln denotes atoms trivalent in monosulfides that belong to group III of the 6th period of the periodic table of elements with the exception of samarium Sm. These include, for example, gadolinium atoms Gd and cerium Ce.

Устройство для охлаждения может включать два или более слоев полупроводникового материала Sm1+xLnyS, последовательно расположенных таким образом, что хотя бы одна из концентраций "х" и "y" возрастает от слоя к слою в направлении от нижнего металлического слоя к верхнему металлическому слою, в то время как в пределах каждого из упомянутых слоев как концентрация "х", так и концентрация "y" приблизительно постоянны.A cooling device may include two or more layers of the semiconductor material Sm 1 + x Ln y S arranged in such a way that at least one of the concentrations “x” and “y” increases from layer to layer in the direction from the lower metal layer to the upper metal layer, while within each of the mentioned layers both the concentration "x" and the concentration "y" are approximately constant.

Принцип действия устройства основан на том, что при нанесении многослойного покрытия на поверхность объекта микро- и оптоэлектроники, который необходимо охладить, обеспечивается надежный тепловой контакт даже в том случае, если поверхность, которую необходимо охладить, непланарная. Наносимый первый металлический слой и последующие слои многослойной структуры повторяют неровности исходной поверхности, обеспечивая тем самым надежное прилегание многослойной структуры к ней.The principle of operation of the device is based on the fact that when a multilayer coating is applied to the surface of the micro- and optoelectronics object that needs to be cooled, reliable thermal contact is ensured even if the surface to be cooled is non-planar. The applied first metal layer and subsequent layers of the multilayer structure repeat the roughness of the original surface, thereby ensuring a reliable fit of the multilayer structure to it.

Принцип действия устройства также основан на том, что в полупроводниковой структуре, в которой имеется градиент концентрации избыточных атомов самария Sm (градиент концентрации «x») и/или градиент концентрации легирующих атомов, относящихся к семейств лантаноидов Ln (градиент концентрации «y»), под действием тепла, вырабатываемого объектом, который необходимо охладить, вследствие термовольтаического эффекта происходит генерация электрического напряжения (термо-ЭАС).The principle of the device’s operation is also based on the fact that in a semiconductor structure in which there is a concentration gradient of excess Samarium atoms Sm (concentration gradient “x”) and / or a concentration gradient of doping atoms belonging to the Ln families n Ln (concentration gradient “y”), under the action of heat generated by the object that needs to be cooled, due to the thermovoltaic effect, the generation of electrical voltage (thermo-EAS) occurs.

Устройство работает следующим образом, Между нижним металлическим слоем устройства и поверхностью, которую необходимо охладить, осуществляется тепловой контакт. При функционировании охлаждаемого объекта (прибора опто- или микроэлектроники) происходит выделение теплоты. Вследствие генерации термо-ЭАС в электрической цепи, образованной верхним и нижним металлическими слоями многослойной структуры, замкнутыми через нагрузочное сопротивление, начинает протекать электрический ток. Протекание электрического тока вызывает в свою очередь нагрев нагрузочного сопротивления, сопровождающийся диссипацией тепла в удаленной от охлаждаемого объекта области пространства.The device operates as follows. Between the lower metal layer of the device and the surface to be cooled, thermal contact is made. During the functioning of the cooled object (optoelectronic or microelectronic device), heat is released. Due to the generation of thermo-EAS in the electrical circuit formed by the upper and lower metal layers of the multilayer structure, closed through the load resistance, an electric current begins to flow. The flow of electric current in turn causes the heating of the load resistance, accompanied by dissipation of heat in a region of space remote from the cooled object.

Таким образом, предлагаемое устройство преобразует теплоту, выделяемую с требующей охлаждения поверхности, в электрическую мощность, которая затем вновь преобразуется в теплоту, выделяемую на удаленно расположенном нагрузочном сопротивлении. В результате отвода тепла от объекта осуществляется его охлаждение.Thus, the proposed device converts the heat released from the surface to be cooled into electrical power, which is then converted again into the heat released on the remotely located load resistance. As a result of heat removal from the object, it is cooled.

Автором настоящей полезной мололи было установлено, что термовольтаический эффект усиливается в том случае, если в сульфиде самария SmS, либо в Sm1+xS (сульфиде самария, содержащем избыточные атоллы самария) создана неоднородная концентрация примесных атоллов Ln, относящихся к семейству лантаноидов (элементы III группы 6-го периода периодической таблицы), проявляющих валентность 3 в соединении с серой. Обнаруженное явление обусловлено, по всей видимости, тем, что дополнительный электрон, который образуется в зоне проводимости сульфида самария при введении в него дополнительного трехвалентного атома повышает проводимость полупроводникового соединения по сравнению с исходным материалом. В результате имеет место увеличение максимального значения электрической мощности, которая может быть выработана устройством и, как следствие, увеличение максимального значения тепловой мощности, которая может быть отведена от охлаждаемого объекта.The author of this useful milling found that the thermovoltaic effect is enhanced if an inhomogeneous concentration of impurity atolls Ln belonging to the lanthanide family (elements is created in samarium sulfide SmS or in Sm 1 + x S (samarium sulfide containing excess samarium atolls) Group III of the 6th period of the periodic table), showing valency 3 in combination with sulfur. The discovered phenomenon is most likely due to the fact that the additional electron that is formed in the conduction band of samarium sulfide when an additional trivalent atom is introduced into it increases the conductivity of the semiconductor compound compared to the starting material. As a result, there is an increase in the maximum value of electric power that can be generated by the device and, as a result, an increase in the maximum value of thermal power that can be diverted from the cooled object.

Автором настоящей полезной модели установлено, что в случае если концентрация «x» превышает 0,17, имеет место выделение фазы металлического самария. Также автор установил, что в случае если концентрация «y» превышает 0,15, термовольтаический эффект будет отсутствовать вследствие перехода ионов самария в трехвалентное состояние. Кроме того, если x+y превысит 0,17, будет наблюдаться один из или оба из указанных нежелательных эффектов.The author of this utility model found that if the concentration "x" exceeds 0.17, there is a separation of the phase of metallic samarium. The author also found that if the concentration "y" exceeds 0.15, the thermovoltaic effect will be absent due to the transition of samarium ions to the trivalent state. In addition, if x + y exceeds 0.17, one or both of these unwanted effects will be observed.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где:The inventive utility model is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 схематически показан вариант конструкции заявляемого устройства, содержащего один слой полупроводникового материала Sm1+xLnyS градиентной концентрации;figure 1 schematically shows a design variant of the inventive device containing one layer of semiconductor material Sm 1 + x Ln y S gradient concentration;

на фиг.2 схематически показан другой вариант конструкции заявляемого устройства, содержащего два слоя полупроводникового материала Sm1+xLnyS, отличающиеся своим химическим составом. Полезная модель также может содержать более двух слоев Sm1+xLnyS;figure 2 schematically shows another design option of the inventive device containing two layers of semiconductor material Sm 1 + x Ln y S, differing in their chemical composition. The utility model may also contain more than two layers Sm 1 + x Ln y S;

на фиг.3 показана схема экспериментального устройства, использованного для демонстрации эффекта самоохолаждения.figure 3 shows a diagram of an experimental device used to demonstrate the effect of self-cooling.

Изображенное на фиг.1 заявляемое устройство нанесено на поверхность 1, которую необходимо охладить, и включает нижний металлический слой 2, один слой 3 полупроводникового материала Sm1+xLnyS с монотонно возрастающей концентрацией "x" 4 избыточных атомов Sm 5 и концентрацией "y" 6 легирующих атомов Ln 7, верхний металлический слой 8, электрические соединения 9, удаленное нагрузочное сопротивление 10.The inventive device shown in FIG. 1 is deposited on the surface 1, which needs to be cooled, and includes a lower metal layer 2, one layer 3 of the semiconductor material Sm 1 + x Ln y S with a monotonously increasing concentration of "x" 4 excess Sm 5 atoms and the concentration " y "6 doping atoms Ln 7, upper metal layer 8, electrical connections 9, remote load resistance 10.

Изображенное на фиг.2 заявляемое устройство нанесено на поверхность 1, которую необходимо охладить и включает нижний металлический слой 2, два слоя 3.1 и 3.2 полупроводникового материала Sm1+xLnyS, в пределах каждого из которых концентрация "x" 4 избыточных атомов Sm 5 и концентрация "y" 6 легирующих атомов Ln 7 приблизительно постоянны и возрастают в направлении от слоя 3.1 к слою 3.2, верхний металлический слой 8, электрические соединения 9, удаленное нагрузочное сопротивление 10. Полезная модель также может содержать более двух слоев Sm1+xLnyS в пределах каждого из которых концентрация "x" 4 избыточных атомов Sm 5 и концентрация "y" 6 легирующих атомов Ln 7 приблизительно постоянны и возрастают в направлении от слоя, прилегающего к охлаждаемой поверхности, к наиболее удаленного от него слою.The inventive device depicted in FIG. 2 is deposited on a surface 1, which must be cooled and includes a lower metal layer 2, two layers 3.1 and 3.2 of the semiconductor material Sm 1 + x Ln y S, within each of which there is a concentration of “x” 4 excess Sm atoms 5 and the concentration “y” 6 of the doping atoms of Ln 7 are approximately constant and increase in the direction from layer 3.1 to layer 3.2, the upper metal layer 8, electrical connections 9, remote load resistance 10. The utility model may also contain more than two layers Sm 1 + x Ln y S within a zhdogo concentration of which "x" 4 redundant atoms 5 and Sm concentration "y" 6 7 Ln dopant atoms are approximately constant and increasing in the direction from the layer adjacent to the cooled surface to the outermost layer of it.

Пример 1Example 1

На молибденовой пластине 1 с размерами 20×20×0,75 мм, являвшейся охлаждаемой поверхностью и одновременно нижним контактом, был создан (наплавлен в высокочастотной печи) образец со слоями 2 из Sm1.02Gd0.07S и 3 из SmS с размерами 8×6×4 мм (Фиг.3). Сопротивление этой структуры составило 3,2 Ом. На внешнюю поверхность был напылен металлический слой, формирующий контактную площадку 4.On a molybdenum plate 1 with dimensions 20 × 20 × 0.75 mm, which was a cooled surface and at the same time the lower contact, a sample was created (deposited in a high-frequency furnace) with layers 2 of Sm 1.02 Gd 0.07 S and 3 of SmS with dimensions 8 × 6 × 4 mm (Figure 3). The resistance of this structure was 3.2 ohms. A metal layer was formed on the outer surface, forming a contact pad 4.

В данном эксперименте охлаждение осуществлялось при замыкании электродов (контактной площадки 4 и охлаждаемой поверхности 1) с помощью сопротивления нагрузки 5, по величине близкого к сопротивлению структуры, R=3 Ом. Использовалось следующее оборудование: для нагревания шкаф сушильный электрический круглый 2 В-151 ГУ 54-1-1411-76; температура измерялась термопарами хромель-алюмель по ГОСТ Р 8.585-2001; сигналы выводились на ЭВМ с АЦП MD-M2.In this experiment, cooling was carried out by closing the electrodes (the contact pad 4 and the cooled surface 1) using a load resistance 5, which is close to the structure resistance, R = 3 Ohms. The following equipment was used: for heating an electric drying cabinet round 2 В-151 ГУ 54-1-1411-76; temperature was measured with chromel-alumel thermocouples in accordance with GOST R 8.585-2001; the signals were output to a computer with an MD-M2 ADC.

Температура окружающей среды измерялась термопарой, прилегающей к слою 3. Температура охлаждаемой поверхности измерялась термопарой, прилегающей к охлаждаемой поверхности 1. При повышении температуры окружающей среды температура охлаждаемой поверхности повышалась медленнее, чем температура окружающей среды. При достижении температуры окружающей среды 98°С, температура охлаждающей поверхности достигла значения 56°С и стабильно поддерживалась в течение всего эксперимента длительностью 1 час.The ambient temperature was measured with a thermocouple adjacent to layer 3. The temperature of the cooled surface was measured with a thermocouple adjacent to surface 1. With increasing ambient temperature, the temperature of the cooled surface increased more slowly than the ambient temperature. When the ambient temperature reached 98 ° C, the temperature of the cooling surface reached 56 ° C and was stably maintained throughout the experiment for 1 hour.

Таким образом, в результате нанесения на охлаждаемую поверхность 2 слоев материалов на основе сульфида самария удалось понизить температуру объекта весом 3 г. на 42°С по сравнению с повышенной температурой среды. Эта разница температур поддерживалась без применения внешнего электрического источника. Таким образом, был достигнут эффект самоохлаждения.Thus, as a result of applying 2 layers of materials based on samarium sulfide onto a cooled surface, it was possible to lower the temperature of an object weighing 3 g by 42 ° C compared with an increased temperature of the medium. This temperature difference was maintained without the use of an external electrical source. Thus, the effect of self-cooling was achieved.

Пример 2Example 2

Была изготовлена структура, аналогичная описанной в примере 1. После этого структура была нагрета до Т=1500°С в вакууме и выдержана в течение 30 минут. В результате прошедшей термодиффузии произошло спекание двух слоев с составами Sm1.02Gd0.07S и SmS в единый образец, и в приграничной области шириной ~2 мм образовался градиент ионов самария (избыток по сравнению со стехиометрическим составом от 0 до 0,02) и градиент ионов гадолиния (избыток по сравнению со стехиометрическим SmS от 0 до 0,07). Глубина диффузии 7 (~1 мм) рассчитана, исходя из известных коэффициентов диффузии. Сопротивление этой структуры составило 1,5 Ом.A structure similar to that described in Example 1 was made. After that, the structure was heated to T = 1500 ° C in vacuo and held for 30 minutes. As a result of thermal diffusion, two layers with the compositions Sm 1.02 Gd 0.07 S and SmS were sintered into a single sample, and a gradient of samarium ions formed in the boundary region with a width of ~ 2 mm (an excess compared to the stoichiometric composition from 0 to 0.02) and an ion gradient gadolinium (excess compared to stoichiometric SmS from 0 to 0.07). The diffusion depth 7 (~ 1 mm) was calculated based on the known diffusion coefficients. The resistance of this structure was 1.5 ohms.

Схема эксперимента и использованные приборы были такими же, как в примере 1, однако нагрузочное сопротивление составляло 1 Ом. При повышении температуры окружающей среды температура охлаждаемой поверхности повышалась медленнее, чем температура окружающей среды. При достижении температуры среды 99°С, температура охлаждаемой поверхности достигла значения лишь 52°С и стабильно и непрерывно поддерживалась в течение всего эксперимента длительностью 1 час.The experimental design and the instruments used were the same as in Example 1, however, the load resistance was 1 Ohm. With increasing ambient temperature, the temperature of the cooled surface increased more slowly than the ambient temperature. When the ambient temperature reached 99 ° C, the temperature of the cooled surface reached only 52 ° C and was stably and continuously maintained throughout the experiment for 1 hour.

Таким образом, в результате проведенного эксперимента удалось понизить температуру объекта весом 3 г. на 47°С по сравнению с температурой нагревающейся среды и поддерживать эту разницу температур без применения внешнего электрического источника.Thus, as a result of the experiment, it was possible to lower the temperature of an object weighing 3 g by 47 ° C compared with the temperature of a heating medium and maintain this temperature difference without using an external electric source.

В данных примерах показано, что описанные в настоящей полезной модели покрытия предотвращают перегрев поверхности, на которую они нанесены. Они могут наноситься на поверхности любой конфигурации с различными радиусами кривизны.These examples show that the coatings described in this utility model prevent overheating of the surface on which they are applied. They can be applied to surfaces of any configuration with different radii of curvature.

Claims (5)

1. Охлаждающее устройство, выполненное из многослойной структуры, состоящей из нижнего, нанесенного на охлаждаемую поверхность, и верхнего металлических слоев, разделенных, по крайней мере, одним слоем полупроводникового материала на основе сульфида самария SmS, и контура с нагрузочным сопротивлением, соединяющего верхний и нижний металлические слои.1. A cooling device made of a multilayer structure consisting of a lower one deposited on a cooled surface and an upper metal layer separated by at least one layer of semiconductor material based on samarium sulfide SmS, and a circuit with load resistance connecting the upper and lower metal layers. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве полупроводникового материала используется сульфид самария, легированный атомами Ln семейства лантаноидов Sm1+xLnyS, причем x=0÷0,17, y=0÷0,15 и x+y<0,17.2. The device according to claim 1, characterized in that samarium sulfide doped with Ln atoms of the lanthanide family Sm 1 + x Ln y S is used as a semiconductor material, with x = 0 ÷ 0.17, y = 0 ÷ 0.15 and x + y <0.17. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что величина хотя бы одной из концентраций «x» и «y» монотонно возрастает в направлении от нижнего металлического слоя к верхнему металлическому слою.3. The device according to claim 2, characterized in that the value of at least one of the concentrations "x" and "y" monotonically increases in the direction from the lower metal layer to the upper metal layer. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что включает два или более последовательно расположенных слоя полупроводникового материала Sm1+xLnyS, причем величина хотя бы одной из концентраций "x" и "y" возрастает от слоя к слою в направлении от нижнего металлического слоя к верхнему металлическому слою, тогда как в пределах каждого из упомянутых слоев как концентрация "x", так и концентрация "y" приблизительно постоянны.4. The device according to claim 2, characterized in that it includes two or more successive layers of semiconductor material Sm 1 + x Ln y S, and the value of at least one of the concentrations "x" and "y" increases from layer to layer in the direction from the lower metal layer to the upper metal layer, while within each of said layers both the concentration “x” and the concentration “y” are approximately constant. 5. Устройство по пп.2-4, отличающееся тем, что в качестве атомов Ln используется гадолиний Gd или церий Ce, причем концентрации атомов удовлетворяют соотношениям y≤0,15, x≤0,2.
Figure 00000001
5. The device according to claims 2-4, characterized in that the gadolinium Gd or cerium Ce is used as Ln atoms, and the atomic concentrations satisfy the ratios y≤0.15, x≤0.2.
Figure 00000001
RU2013104136/28U 2013-01-31 2013-01-31 COOLING MULTI-LAYER STRUCTURE RU131238U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013104136/28U RU131238U1 (en) 2013-01-31 2013-01-31 COOLING MULTI-LAYER STRUCTURE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013104136/28U RU131238U1 (en) 2013-01-31 2013-01-31 COOLING MULTI-LAYER STRUCTURE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU131238U1 true RU131238U1 (en) 2013-08-10

Family

ID=49160104

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013104136/28U RU131238U1 (en) 2013-01-31 2013-01-31 COOLING MULTI-LAYER STRUCTURE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU131238U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2576414C2 (en) * 2014-05-21 2016-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курганский государственный университет" Cooling device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2576414C2 (en) * 2014-05-21 2016-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курганский государственный университет" Cooling device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wei et al. Polymer thermoelectric modules screen-printed on paper
Finefrock et al. Flexible prototype thermoelectric devices based on Ag 2 Te and PEDOT: PSS coated nylon fibre
Rathi et al. Unravelling the switching mechanisms in electric field induced insulator–metal transitions in VO2 nanobeams
Talin et al. Metal–organic frameworks for thermoelectric energy-conversion applications
Su et al. Ca3− xBixCo4O9 and Ca1− ySmyMnO3 thermoelectric materials and their power‐generation devices
Sztein et al. GaN-based integrated lateral thermoelectric device for micro-power generation
Attia et al. AC electrical conductivity and dielectric studies of bulk p-quaterphenyl
Fu et al. Thermoelectric properties of DC-sputtered filled skutterudite thin film
Ou et al. Compositionally graded organic–inorganic nanocomposites for enhanced thermoelectric performance
Li et al. Conformal high-power-density half-heusler thermoelectric modules: a pathway toward practical power generators
Patial et al. Dielectric properties and AC conductivity measurements of amorphous Ge15Se85 glass
Yamashita Effect of metal electrode on Seebeck coefficient of p-and n-type Si thermoelectrics
Isawa et al. Thermoelectric power of delafossite-derived compounds, R CuO 2+ δ (R= Y, La, Pr, Nd, Sm, and Eu)
Lehr et al. Thermoelectric Properties of Yb 1− x (Er, Lu) x Al 3 Solid Solutions
Kim et al. Realization of high‐performance screen‐printed flexible thermoelectric generator by improving contact characteristics
RU131238U1 (en) COOLING MULTI-LAYER STRUCTURE
Tian et al. Optimizing the output performance and parasitic depletion of Bi 2 Te 3-based thermoelectric generators by using a high-density approach
Mirhosseini et al. Effect of thermal cycling on zinc antimonide thin film thermoelectric characteristics
Funahashi et al. Durability of silicide-based thermoelectric modules at high temperatures in air
Kimura et al. Experimental relationship between the Seebeck and Peltier effects in thermoelectric modules based on Fe and Al metals
Yang et al. Effects of thickness and temperature on thermoelectric properties of Bi2Te3-based thin films
Morozkin et al. Thermoelectric properties of Pr3Rh4Sn13-type Yb3Co4Ge13 and Yb3Co4Sn13 compounds
RU102851U1 (en) DEVICE FOR COOLING ELECTRONICS
Kilinc et al. Steady-state thermal-electric analysis of a π-shaped 8-pair thermoelectric generator
El-Nahass et al. Current–voltage and photovoltaic characteristics of n-Ge10Se80In10/p-Si heterojunction

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20170201