RU172616U1

RU172616U1 - SEMICONDUCTOR THERMAL ELEMENT DEVICE

Info

Publication number: RU172616U1
Application number: RU2017107941U
Authority: RU
Inventors: Олег Иванович Марков
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2017-07-14

Abstract

Использование: для изготовления термоэлектрических охлаждающих устройств.Сущность полезной модели заключается в том, что устройство полупроводникового термоэлемента содержит две ветви из материалов p- и n-проводимости и соединяющую их металлическую перемычку, последняя выполнена с токопроводящими контактными площадками, имеющими в продольном сечении вид треугольников, к нижним основаниям которых припаяны холодные концы ветвей p- и n-проводимости.Технический результат: обеспечение возможности повышения термоэлектрической эффективности полупроводникового термоэлемента. 2 ил.Usage: for the manufacture of thermoelectric cooling devices. The essence of the utility model consists in the fact that the semiconductor thermoelement device contains two branches of p- and n-conductivity materials and a metal jumper connecting them, the latter is made with conductive contact pads in the form of triangles in longitudinal section, to the lower bases of which the cold ends of the branches of p- and n-conductivity are soldered. Technical result: providing the possibility of increasing the thermoelectric effectively semiconductor thermocouple. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к полупроводниковым термоэлектрическим преобразователям энергии, функционирующим на эффекте Пельтье, имеет отношение к термоэлектрическому приборостроению и может быть использована при изготовлении термоэлектрических охлаждающих устройств в серийном и промышленном производствах.The utility model relates to semiconductor thermoelectric energy converters operating on the Peltier effect, is related to thermoelectric instrumentation and can be used in the manufacture of thermoelectric cooling devices in serial and industrial production.

Устройство полупроводникового термоэлемента включает коммутационную перемычку, которая соединяет р- и n-ветви таким образом, чтобы контактирующие с ветвями части перемычки приводили к равномерному перераспределению линий тока в полупроводниковых ветвях термоэлемента.The semiconductor thermocouple device includes a switching jumper that connects the p- and n-branches so that the parts of the jumper in contact with the branches lead to a uniform redistribution of streamlines in the semiconductor branches of the thermocouple.

Принцип действия термоэлемента основан на термоэлектрическом эффекте Пельтье. Наибольший эффект (максимальный перепад температур, максимальная холодопроизводительность) достигается при плотности токаThe principle of operation of the thermocouple is based on the Peltier thermoelectric effect. The greatest effect (maximum temperature difference, maximum cooling capacity) is achieved at current density

,

где α - дифференциальная термоЭДС ветви; ρ - удельное сопротивление ветви;

-длина ветви,

- температура холодного конца ветви. Поэтому, неравномерное распределение плотности тока по поверхности контакта ветви и перемычки приведет к тому, что соотношение не будет выполняться во всех точках контакта, что приведет к снижению эффективности преобразования.where α is the differential thermoEMF of the branch; ρ is the branch resistivity;

- branch length

- temperature of the cold end of the branch. Therefore, an uneven distribution of current density over the contact surface of the branch and jumper will result in the ratio not being satisfied at all contact points, which will lead to a decrease in the conversion efficiency.

Известен полупроводниковый термоэлемент, который состоит из двух прямоугольных параллелепипедов из полупроводниковых материалов p- и n-типа проводимости, которые соединены металлической коммутационной перемычкой, образующей электрические и тепловые контактные поверхности на холодной стороне термоэлемента. При соответствующем направлении тока перемычка вследствие действия эффекта Пельтье охлаждается (Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник/ Л.И. Анатычук. - Киев: Наук. думка, 1979. 768 с).A semiconductor thermoelement is known, which consists of two rectangular parallelepipeds of semiconductor materials of p- and n-type conductivity, which are connected by a metal switching jumper forming electrical and thermal contact surfaces on the cold side of the thermoelement. With the corresponding direction of the current, the jumper is cooled due to the action of the Peltier effect (Thermoelements and thermoelectric devices: Reference book / LI Anatychuk. - Kiev: Nauk. Dumka, 1979. 768 s).

Недостатками известного устройства являютсяThe disadvantages of the known device are

а) в структуре данного устройства формируется неравномерное распределение линий плотности тока, приводящее к повышенному тепловыделению за счет эффекта Джоуля в области вблизи коммутационной перемычки, поэтому изготовленный таким методом полупроводниковый термоэлемент будет обладать меньшим эффектом охлаждения;a) in the structure of this device, an uneven distribution of current density lines is formed, leading to increased heat generation due to the Joule effect in the region near the jumper, therefore, a semiconductor thermoelement made by this method will have a smaller cooling effect;

б) в структуре устройства формируется неравномерное распределение линий тока на поверхности соединения коммутационной перемычки с полупроводниковыми ветвями, что приводит к неравномерному распределению теплопоглощения за счет эффекта Пельтье;b) in the structure of the device, an uneven distribution of streamlines is formed on the connection surface of the jumper with semiconductor branches, which leads to an uneven distribution of heat absorption due to the Peltier effect;

в) в структуре данного устройства формирующееся в поперечном направлении ветви неравномерное тепловыделение за счет эффекта Джоуля приводит к возникновению поперечного перепада температуры и, соответственно, термомеханических напряжений, снижающих механическую прочность ветвей и могущих привести к растрескиванию ветвей.c) in the structure of this device, uneven heat generation formed in the transverse direction of the branch due to the Joule effect leads to the appearance of a transverse temperature drop and, accordingly, thermomechanical stresses that reduce the mechanical strength of the branches and which can lead to cracking of the branches.

Техническая задача состоит в повышении термоэлектрической эффективности (максимальный перепад температур, максимальная холодопроизводительность) полупроводникового термоэлемента.The technical problem is to increase the thermoelectric efficiency (maximum temperature difference, maximum cooling capacity) of a semiconductor thermocouple.

Техническая задача достигается тем, что в устройстве полупроводникового термоэлемента, содержащего две ветви из материалов p- и n-проводимости и соединяющую их металлическую перемычку, последняя выполнена с токопроводящими контактными площадками, имеющими в продольном сечении вид треугольников, к нижним основаниям которых припаяны холодные концы ветвей p- и n-проводимости.The technical problem is achieved in that in the device of a semiconductor thermoelement containing two branches of p- and n-conductivity materials and a metal jumper connecting them, the latter is made with conductive contact pads having a longitudinal section in the form of triangles, the cold ends of the branches are soldered to their lower bases p- and n-conductivity.

Технический результат заключается в получении большей эффективности преобразования энергии.The technical result is to obtain greater energy conversion efficiency.

Сущность изобретения поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 представлена функциональная схема прототипа, реализующего традиционную конструкцию термоэлектрических модулей, и картина распределения теплоты Джоуля, полученная компьютерным моделированием;in FIG. 1 shows a functional diagram of a prototype that implements the traditional design of thermoelectric modules, and a picture of the Joule heat distribution obtained by computer simulation;

на фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства и картина распределения теплоты Джоуля, полученная методом компьютерного моделирования.in FIG. 2 presents a functional diagram of the proposed device and a picture of the Joule heat distribution obtained by computer simulation.

Известное устройство (фиг. 1) содержит две ветви 1, выполненные в виде параллелепипедов из полупроводниковых материалов p- и n-типа проводимости, соединенныхметаллической коммутационной перемычкой 2, которая образует электрические и тепловые контакты на холодной стороне 3 ветвей термоэлемента. Горячие концы 4 ветвей соединяются токоподводами 5 с внешним источником тока.The known device (Fig. 1) contains two branches 1 made in the form of parallelepipeds from semiconductor materials of p- and n-type conductivity, connected by a metal switching jumper 2, which forms electrical and thermal contacts on the cold side 3 of the branches of the thermocouple. The hot ends of the 4 branches are connected by current leads 5 to an external current source.

Предлагаемое устройство (фиг. 2) содержит две ветви 1, выполненные в виде параллелепипедов из полупроводниковых материалов p- и n-типа проводимости, соединенных металлической коммутационной перемычкой 2, которая образует электрические и тепловые контакты на холодной стороне ветвей термоэлемента. Перемычка 2 выполнена с токоподводящими контактными площадками 3, имеющими в продольном сечении вид треугольников, к нижним основаниям которых припаяны холодные концы ветвей (p- и n-типа проводимости). Треугольная форма токоподводящих контактов перемычки позволяет достичь более равномерного тепловыделения Джоуля в ветвях термоэлемента. Распределение тепловыделения за счет эффекта Джоуля в структурах устройств (фиг. 1 и 2) проиллюстрировано полями разной интенсивности окраски: от наиболее светлой (меньшее тепловыделение) до наиболее темной (большее тепловыделение). Горячие концы ветвей 4 также соединяются токоподводами 5 с внешними источниками тока.The proposed device (Fig. 2) contains two branches 1 made in the form of parallelepipeds from semiconductor materials of p- and n-type conductivity, connected by a metal jumper 2, which forms electrical and thermal contacts on the cold side of the branches of the thermocouple. The jumper 2 is made with current-conducting contact pads 3, having a longitudinal section in the form of triangles, to the lower bases of which the cold ends of the branches (p- and n-type conductivity) are soldered. The triangular shape of the current-carrying contacts of the jumper allows you to achieve a more uniform heat release of the Joule in the branches of the thermocouple. The distribution of heat due to the Joule effect in the structures of the devices (Figs. 1 and 2) is illustrated by fields of different color intensities: from the lightest (less heat) to darker (more heat). The hot ends of the branches 4 are also connected by current leads 5 to external current sources.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Токоподводы 5 на горячих концах 4 ветвей подключаются к внешнему низковольтному источнику постоянного тока. Направление тока выбирается таким образом, чтобы теплота Пельтье поглощалась на холодном спае (коммутационная перемычка 2) и выделялась на горячем спае.Current leads 5 at the hot ends of 4 branches are connected to an external low-voltage DC source. The direction of the current is chosen so that the Peltier heat is absorbed on the cold junction (switching jumper 2) and released on the hot junction.

Технические преимущества полупроводникового термоэлемента предлагаемой конструкции в сравнении с прототипом:Technical advantages of the proposed design semiconductor thermocouple in comparison with the prototype:

1) возрастает равномерность распределения тепловыделения Джоуля в ветвях термоэлемента, что приводит к уменьшению перегрева ветви вблизи коммутационной перемычки;1) increases the uniformity of the distribution of Joule heat in the branches of the thermocouple, which leads to a decrease in overheating of the branch near the switching bridge;

2) возрастает равномерность поглощения теплоты Пельтье, что определяется температурой холодного конца ветви, согласно приведенной выше формулы;2) the uniformity of the absorption of Peltier heat increases, which is determined by the temperature of the cold end of the branch, according to the above formula;

3) уменьшаются термомеханические напряжения в поперечном направлении ветви, снижающие возможность образования трещин и сколов ветвей.3) thermomechanical stresses are reduced in the transverse direction of the branch, which reduces the possibility of formation of cracks and chips of the branches.

Claims

The device of a semiconductor thermoelement containing two branches of p- and n-conductivity materials and a metal jumper connecting them, characterized in that the jumper is made with conductive contact pads having a longitudinal section in the form of triangles, the cold ends of the p- branches are soldered to their lower bases and n-conductivity.