RU2142177C1

RU2142177C1 - Thermopile

Info

Publication number: RU2142177C1
Application number: RU97109437A
Authority: RU
Inventors: В.В. Липатов
Original assignee: Ооо Мак-Бэт
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 1999-11-27

Abstract

FIELD: semiconductor devices. SUBSTANCE: thermopile depending for its operation of Peltier effect has semiconductor p and n circuits interconnected by switching buses, current ducts, and metal heat-transfer junctions, 0.5-6 mm thick, that may be made of aluminum, aluminum covered with oxide film, 3-150 mcm thick, or copper covered with insulating material such as organic varnish, alumina, silicon nitride, etc. These heat-transfer junctions increase resistance to heat shocks and reduce thermal stress loss in heat-transfer junctions. Thermopile is provided with thermal stress compensating means raising its cooling effect and made in the form of flexible heat-conducting insulating material with thermal conductivity at least 0.3 W/mK, elastic strain not lower than 30%, and YoungТs modulus not over 95 MPa; material layer thickness makes up 0.001 of switching bus length. Thermocouple also has additional thermal stress compensating means in the form of through slits at least in one heat-transfer junction filled with flexible material or in the form of embossing on heat-transfer junctions, or in the form of flexible heat- insulating material arranged over periphery of heat-transfer junction to fill up space between junctions; in this case, YoungТs modulus of flexible heat-conducting insulating material is not to exceed 1 MPa. In addition, flexible heat-conducting insulating material between buses and heat-transfer junctions may be heterogeneous, that is, its YoungТs modulus in central part may be at least 0.5 MPa and on periphery, nor over 0.1 MPa. EFFECT: enlarged functional capabilities, extended service life, and improved thermal characteristics of thermopile. 9 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрическим батареям, работа которых основана на эффекте Пельтье, и может быть использовано при разработке устройств холодильной техники, кондиционеров, медицинского оборудования и т.д. The invention relates to thermoelectric batteries, the operation of which is based on the Peltier effect, and can be used in the development of refrigeration appliances, air conditioners, medical equipment, etc.

Известна термоэлектрическая батарея, включающая ветви p- и n-проводимости, соединенные коммутационными шинами, и теплопереходы, выполненные из металлической фольги, на поверхность которой нанесена оксидная пленка (авт. свид. СССР N 409456, кл. H 01 L 35/32, 1973). A thermoelectric battery is known, including p- and n-conductivity branches connected by switching buses and heat transfers made of metal foil, on whose surface an oxide film is applied (ed. Certificate of the USSR N 409456, class H 01 L 35/32, 1973 )

Недостатком известной конструкции является невысокая прочность теплопереходов, что препятствует применению ее в устройствах, использующих значительное давление рабочей среды, контактирующей с теплопереходами. A disadvantage of the known design is the low strength of the heat transfer, which prevents its use in devices using significant pressure of the working medium in contact with the heat transfer.

Изобретение направлено на создание термоэлектрической батареи с повышенной прочностью теплопереходов при одновременном обеспечении ее эффективными средствами снижения термических напряжений, что позволяет увеличить площадь и толщину теплопереходов, увеличить холодопроизводительность и расширяет, в свою очередь, область использования термоэлектрических батарей. The invention is directed to the creation of a thermoelectric battery with increased strength of heat transfers while providing it with effective means of reducing thermal stresses, which allows to increase the area and thickness of heat transfers, increase cooling capacity and expands, in turn, the field of use of thermoelectric batteries.

Для достижения указанного технического результата в термоэлектрической батарее, содержащей полупроводниковые ветви p- и n-проводимости, коммутационные шины, токоподводы, металлические теплопереходы и средство компенсации термических напряжений, толщина металлических теплопереходов составляет 0,5 - 6 мм, а средство компенсации термических напряжений выполнено в виде расположенного между коммутационными шинами и теплопереходами слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала с коэффициентом теплопроводности не менее 0,3 Вт/мК, величиной упругой деформации не менее 30% и величиной модуля Юнга не более 95 МПа, при этом толщина слоя материала составляет не менее 0,001 длины коммутационной шины, при этом термоэлектрическая батарея может быть снабжена дополнительным средством компенсации термических напряжений, выполненным либо в виде сквозных прорезей, как минимум, в одном теплопереходе, заполненных эластичным материалом, либо в виде тиснений на глубину не менее 1,5 толщины теплоперехода, либо в виде слоя эластичного теплоизоляционного материала, расположенного между теплопереходами по периферии термоэлектрической батареи, при этом, как минимум, на одном из теплопереходов модуль Юнга слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала составляет не более 1 МПа, а теплопереходы термобатареи могут быть выполнены из алюминия или из алюминия, покрытого оксидной пленкой, толщина которой составляет от 3 до 150 мкм, или из меди, покрытой слоем диэлектрического материала, например, органическим лаком, окисью алюминия, нитридом кремния и т.д., кроме того, слой теплопроводного эластичного электроизоляционного материала, расположенного между коммутационными шинами и одним из теплопереходов, может иметь разную величину модуля Юнга; в центральной части термобатарея имеет модуль Юнга не менее 0,5 МПа, а по периферии не более 0,1 МПа. To achieve the specified technical result in a thermoelectric battery containing semiconductor branches of p- and n-conductivity, switching buses, current leads, metal heat transfers and means for compensating thermal stresses, the thickness of metal heat transfers is 0.5 - 6 mm, and means for compensating thermal stresses are made in the form of a layer of heat-conducting elastic electrical insulating material located between switching busbars and heat transfers with a thermal conductivity coefficient of at least 0.3 W / mK, the value of elastic deformation of not less than 30% and the value of Young's modulus of not more than 95 MPa, while the layer thickness of the material is not less than 0.001 of the length of the busbar, while the thermoelectric battery can be equipped with additional means for compensating thermal stresses, made either in the form of through slots in at least one heat transfer filled with elastic material, or in the form of embossments to a depth of at least 1.5 times the thickness of the heat transfer, or in the form of a layer of elastic heat-insulating material, located between heat transitions around the periphery of the thermoelectric battery, and at least at one of the heat transitions, the Young's modulus of the layer of heat-conducting elastic insulating material is not more than 1 MPa, and the heat transfer of the thermopile can be made of aluminum or of aluminum coated with an oxide film, the thickness of which is from 3 to 150 microns, or from copper coated with a layer of dielectric material, for example, organic varnish, aluminum oxide, silicon nitride, etc., in addition, a layer of heat-conducting elastic el ktroizolyatsionnogo material disposed between switching buses and one of the heat transfer, can have a different value of Young's modulus; in the central part of the thermal battery has a Young's modulus of at least 0.5 MPa, and at the periphery of not more than 0.1 MPa.

На фиг.1 изображена термоэлектрическая батарея; на фиг. 2 - термоэлектрическая батарея со сквозными прорезями в теплопереходе 4, заполненными электроизоляционным материалом 6; на фиг. 3 - термоэлектрическая батарея с тиснениями, выполненными на теплопереходе 4; на фиг. 4 - термоэлектрическая батарея с эластичным теплоизоляционным материалом 8, расположенным по периферии. Figure 1 shows a thermoelectric battery; in FIG. 2 - thermoelectric battery with through holes in the heat transfer 4 filled with electrical insulating material 6; in FIG. 3 - thermoelectric battery with stampings made on the heat transfer 4; in FIG. 4 - thermoelectric battery with elastic heat-insulating material 8, located on the periphery.

Термоэлектрическая батарея содержит термоэлектрические ветви 1 n- и p-проводимости, соединенные коммутационными шинами 2, снабженными токоподводами 3. К коммутационным шинам 2 присоединены теплопереходы 4 посредством слоя 5 теплопроводного эластичного электроизоляционного материал, который является средством для снижения термических напряжений при работе термобатарей. Как минимум один из теплопереходов 4 может быть снабжен дополнительным средством снятия термических напряжений, которое может быть выполнено в виде сквозных прорезей 6 в теплопереходе 4, заполненных эластичным материалом, либо в виде тиснений 7, глубина которых составляет не менее 1,5 толщины теплоперехода, либо в виде слоя 8 эластичного теплоизоляционного материала, размещенного между теплопереходами по периферии батареи. The thermoelectric battery contains thermoelectric branches 1 of n- and p-conductivity, connected by switching buses 2, equipped with current leads 3. Heat transfer 4 is connected to the switching bus 2 by means of layer 5 of heat-conducting elastic electrical insulating material, which is a means to reduce thermal stresses during operation of thermal batteries. At least one of the heat transfer 4 can be equipped with additional means for removing thermal stresses, which can be made in the form of through slots 6 in the heat transfer 4, filled with elastic material, or in the form of embossments 7, the depth of which is not less than 1.5 of the thickness of the heat transfer, or in the form of a layer 8 of elastic heat-insulating material placed between heat transitions along the periphery of the battery.

Полупроводниковые ветви 1 присоединяют к коммутационным шинам 2 посредством пайки. Semiconductor branches 1 are connected to the switching buses 2 by soldering.

К шинам 2 присоединены токопроводы 3, соединенные с источником электропитания (на чертеже не показан). Выполнение металлических теплопереходов 4 толщиной 0,5 - 6 мм позволяет значительно повысить прочность термоэлектрической батареи. При толщине менее 0,5 мм прочность будет недостаточной, а более 6 мм - увеличатся потери теплового напора и при этом увеличится вес. To the busbars 2 are connected conductors 3 connected to a power source (not shown in the drawing). The implementation of metal heat transfer 4 with a thickness of 0.5 - 6 mm can significantly increase the strength of the thermoelectric battery. With a thickness of less than 0.5 mm, the strength will be insufficient, and more than 6 mm, heat loss will increase and weight will increase.

При применении прочных теплопереходов 4 значительной толщины и размеров возникает проблема компенсации термических напряжений. Расположение слоя 5 теплопроводного эластичного электроизоляционного материала на теплопереходе 4 в местах контакта с коммутационными шинами 2 позволяет значительно снизить термические напряжения, возникающие в элементах конструкции. Используемый материал выбирается со следующими свойствами: коэффициент теплопроводности не менее 0,3 Вт/мК, так как при значениях его ниже указанной величины будут иметь место потери теплового напора. When using durable heat transfer 4 of significant thickness and size, the problem of compensating thermal stresses arises. The location of the layer 5 of the heat-conducting elastic insulating material on the heat transfer 4 in the places of contact with the switching buses 2 can significantly reduce thermal stresses arising in the structural elements. The material used is selected with the following properties: thermal conductivity coefficient of at least 0.3 W / mK, since at values below this value there will be a loss of thermal pressure.

Выбор материала с величиной упругой деформации менее 30% позволяет компенсировать термическую деформацию теплопереходов упругой деформацией слоя теплопроводного эластичного материала, величина модуля Юнга (не более 95 МПа) материала выбирается из условия ограничения механической нагрузки на ветви, толщина слоя 5 - не менее 0,001 от длины коммутационной шины 2 из условия согласования величины упругой деформации теплопереходов 4 и теплопроводного упругого эластичного материала 5. The choice of material with an elastic strain of less than 30% allows you to compensate for the thermal deformation of heat transfers by elastic deformation of the layer of heat-conducting elastic material, the Young's modulus (not more than 95 MPa) of the material is selected from the condition of limiting the mechanical load on the branches, layer thickness 5 is not less than 0.001 of the switching length tires 2 from the condition for matching the elastic strain of the heat transfer 4 and the heat-conducting elastic elastic material 5.

В качестве теплопроводного эластичного упругого материала могут быть использованы: резины, клеи, герметики, в частности силиконовые и имеющие в своем составе теплопроводные добавки. As a heat-conducting elastic elastic material can be used: rubber, adhesives, sealants, in particular silicone and incorporating heat-conducting additives.

Термоэлектрическая батарея может быть снабжена дополнительными средствами компенсации напряжений. Например, в виде сквозных прорезей 6, выполненных в одном из теплопереходов 4, заполненных эластичным материалом. В качестве эластичного материала используют резины, клеи, герметики. The thermoelectric battery can be equipped with additional voltage compensation. For example, in the form of through slots 6, made in one of the heat junctions 4, filled with elastic material. As an elastic material, rubber, adhesives, sealants are used.

Дополнительное средство может представлять собой выполненные в теплопереходе 4 тиснения 7, глубина которых не менее 1,5 толщины теплоперехода 4. При выборе глубины, меньшей 1,5 толщины теплоперехода, будет наблюдаться повышенная жесткость теплопровода в продольном направлении и, как следствие, разрушение термобатареи при термоциклировании. An additional tool may be embossments 7 made in the heat transfer 4, the depth of which is not less than 1.5 of the heat transfer thickness 4. When choosing a depth less than 1.5 heat transfer thickness, increased stiffness of the heat pipe in the longitudinal direction and, as a result, destruction of the thermal battery during thermal cycling.

Кроме того, дополнительное средство может быть выполнено в виде слоя 8 эластичного теплоизоляционного материала, расположенного по периферии теплопереходов 4 и заполняющего пространство между ними. В качестве эластичного теплоизоляционного материала применяют резины, клеи, герметики, в том числе вспененные. В этом случае модуль Юнга слоя 5 теплопроводного эластичного электроизоляционного материала не должен превышать 1 МПа, т.к. в противном случае увеличивается механическая нагрузка на ветви и батарея будет плохо переносить термоциклирование. In addition, the additional tool can be made in the form of a layer 8 of elastic heat-insulating material located on the periphery of the heat transfer 4 and filling the space between them. As an elastic thermal insulation material, rubbers, adhesives, sealants, including foamed, are used. In this case, the Young's modulus of layer 5 of the heat-conducting elastic electrical insulating material should not exceed 1 MPa, because otherwise, the mechanical load on the branches increases and the battery will not tolerate thermal cycling.

Использование металлических теплопереходов 4 позволяет создать прочную конструкцию, обладающую высокими теплофизическими характеристиками и стойкостью к ударным воздействиям, что не обеспечивают керамические теплопереходы. Наиболее предпочтительным с этой точки зрения являются теплопереходы 4, выполненные из алюминия с нанесенной на него оксидной пленкой толщиной 3 - 150 мкм или из меди, покрытой слоем диэлектрического материала, например органическим лаком, окисью алюминия, нитридом кремния и т.д. Выбор оксидной пленки толщиной 3-150 мкм сделан исходя из требования создания электроизоляционного слоя. The use of metal heat transfer 4 allows you to create a solid structure with high thermophysical characteristics and resistance to shock, which does not provide ceramic heat transfer. The most preferred from this point of view are heat transfer 4 made of aluminum with an oxide film of 3-150 μm thick deposited on it or of copper coated with a layer of dielectric material, for example, organic varnish, aluminum oxide, silicon nitride, etc. The choice of an oxide film with a thickness of 3-150 microns was made based on the requirement of creating an electrical insulating layer.

При толщине выше 150 мкм оксидная пленка в значительной степени теряет теплофизические св-ва и не дает значительного увеличения электроизоляционных свойств. With a thickness above 150 μm, the oxide film to a large extent loses its thermophysical properties and does not significantly increase its electrical insulating properties.

Для создания более гибкой системы компенсации термических напряжений на одном из теплопереходов 4 слой 5 теплопроводного эластичного электроизоляционного материала может быть выполнен из материалов с различной величиной модуля Юнга, например, в центральной части - 0,5 МПа, а по периферии - не более 0,1 МПа. Это позволит при сохранении достаточной прочности термобатареи за счет относительно большой величины модуля Юнга в центральной части батареи, где абсолютное значение термических деформаций минимально, снизить механические нагрузки на ветви при температурных перепадах на батарее за счет малого модуля Юнга, материала, соединяющего шины и теплопереход на периферии термоэлектрической батареи, где термические деформации максимальны. To create a more flexible system for compensating thermal stresses at one of the heat junctions 4, layer 5 of the heat-conducting elastic insulating material can be made of materials with different Young's modulus, for example, in the central part - 0.5 MPa, and not more than 0.1 on the periphery MPa This will allow, while maintaining sufficient strength of the thermopile due to the relatively large value of the Young's modulus in the central part of the battery, where the absolute value of thermal deformations is minimal, to reduce mechanical stresses on the branches at temperature differences on the battery due to the small Young's modulus, the material connecting the tires and the heat transfer at the periphery thermoelectric battery, where thermal deformation is maximum.

Использование термоэлектрических батарей данной конструкции позволит увеличить теплофизические свойства и единичную мощность при сохранении устойчивости к термоциклированию и ресурса работы. The use of thermoelectric batteries of this design will increase the thermophysical properties and unit power while maintaining thermal cycling stability and service life.

Claims

1. Thermoelectric battery containing semiconductor branches of p- and n-conductivity, switching buses, current leads, metal heat transfer and means for compensating thermal stresses, characterized in that the thickness of metal heat transfer is 0.5-6.0 mm, and a means for compensating thermal stresses made in the form of a layer of heat-conducting elastic electrical insulating material located between the switching busbars and heat junctions with a thermal conductivity of at least 0.3 W / mK and an elastic de deformations of not less than 30% and the value of the Young's modulus of not more than 95 MPa, the thickness of the material layer is not less than 0.001 lengths switching bus.

2. The thermoelectric battery according to claim 1, characterized in that the battery is equipped with an additional means of compensating thermal stresses.

3. The thermoelectric battery according to claim 2, characterized in that the additional means of compensating thermal stresses is made in the form of through slots in at least one heat transfer filled with elastic material.

4. The thermoelectric battery according to claim 2, characterized in that the additional means of compensating thermal stresses is made in the form of embossing to a depth of not less than 1.5 thickness of the heat transfer.

5. The thermoelectric battery according to claim 2, characterized in that the additional means of compensating for temperature stresses is made in the form of a layer of elastic heat-insulating material located between the heat transitions along the periphery of the thermoelectric battery, while at least one of the heat transitions, the Young's modulus of the layer of heat-conducting elastic electrical insulating material is no more than 1 MPa.

6. Thermoelectric battery according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the heat transfer is made of aluminum.

7. Thermoelectric battery according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the heat transfer is made of aluminum coated with an oxide film, the thickness of which is 3 to 150 microns.

8. Thermoelectric battery according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the heat transfer is made of copper coated with a layer of dielectric material, such as organic varnish, aluminum oxide, silicon nitride, etc.

9. The thermoelectric battery according to claim 1, characterized in that at least at one of the heat junctions, the Young's modulus of the layer of heat-conducting elastic insulating material located between the tires and the heat transfer in the central part of the heat transfer is at least 0.5 MPa, at the periphery of the heat transfer, no more than 0.1 MPa.