RU2282279C2

RU2282279C2 - Device for fastening parts by freezing method

Info

Publication number: RU2282279C2
Application number: RU2004120608/28A
Authority: RU
Inventors: Тагир Абдурашидович Исмаилов (RU); Тагир Абдурашидович Исмаилов; Микаил Гаджимагомедович Вердиев (RU); Микаил Гаджимагомедович Вердиев; Олег Викторович Евдулов (RU); Олег Викторович Евдулов
Original assignee: Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ)
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-08-20
Also published as: RU2004120608A

Abstract

FIELD: thermo-electric equipment engineering, in particular, construction of thermo-electric devices for fastening parts by freezing during their mechanical processing.

SUBSTANCE: device contains thermo-electric battery, driven to thermal contact with part (freezing object) and system for dumping heat. Thermo-electric battery consists of alternating branches, connected in electric circuit by means of commutation plates, made respectively of p-type and n-type semiconductors. Electric connection of branches is realized by means of contact: p-type branch - commutation plate - n-type branch, where p-type branch contacts end surface of one of surfaces of commutation plate, and n-type branch - to another one. Each branch in thermo-electric battery contacts by opposite end surfaces to two commutation plates. Commutation plates have area, which is somewhat greater, than area of transverse section of branches of p- and n-types. End of commutation plates, forming cold contacts, project beyond one surface of structure, while ends of commutation plates, forming hot contacts - beyond another one. Free ends of commutation plates, forming cold contacts, are formed with T-shaped section and are soldered to areas, electro-insulated from one another, made in form of films of metals or alloys, applied to ceramic plate, on opposite side of which freezing object is mounted. Free ends of commutation plates forming hot contacts are mated with heat dumping system. Space, limited by ceramic plate and surface of structure, formed by branches of thermo-electric battery, is filled with thermo-isolation.

EFFECT: increased efficiency and reliability of fastening process.

1 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрической технике, в частности к конструкциям термоэлектрических устройств для крепления деталей методом примораживания при их дальнейшей механической обработке.The invention relates to thermoelectric technology, in particular to the construction of thermoelectric devices for fastening parts by freezing during their further machining.

Прототипом изобретения является замораживающее устройство, предназначенное для закрепления деталей при их обработке на станках методом примораживания [1]. Устройство включает в себя термоэлектрическую батарею (ТЭБ), приводимую в тепловой контакт холодными спаями с деталью, подлежащей механической обработке, и жидкостной теплообменник, сопряженный с горячими спаями ТЭБ.The prototype of the invention is a freezing device designed to fix parts during processing on machines by freezing [1]. The device includes a thermoelectric battery (thermopile), brought into thermal contact by cold junctions with the part to be machined, and a liquid heat exchanger associated with hot junctions of the thermopile.

ТЭБ выполняется из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем коммутация обеих ветвей (р- и n-типа) к коммутационной пластине производится к одной и той же плоской поверхности по краям последней. При этом термоэлемент имеет П-образную форму, где вертикальные элементы - р- и n-ветви, а горизонтальные - коммутационные пластины. Электрически последовательно соединенные коммутационными пластинами термоэлементы, образующие ТЭБ, заключены между двумя высокотеплопроводными электроизоляционными пластинами - теплопереходами.The thermopile is made of semiconductor thermoelements connected in series to the electric circuit, each of which is formed by two branches (columns made either cylindrical or in the form of a rectangular parallelepiped) made of p-type and n-type semiconductor, respectively. The branches of thermocouples are interconnected by means of patch plates, and the switching of both branches (p- and n-type) to the patch plate is made to the same flat surface along the edges of the latter. In this case, the thermocouple has a U-shape, where the vertical elements are p- and n-branches, and the horizontal ones are patch plates. The thermoelements that form thermopiles are electrically connected in series by switching plates and are enclosed between two highly conductive electrical insulating plates - heat transfers.

Недостатком известной конструкции является невозможность использования мощных ТЭБ с током питания порядка 100 А и выше вследствие возникновения в данной конструкции ТЭБ значительных механических напряжений из-за теплового расширения (сжатия) материалов, а также биметаллического эффекта, снижающих практически до нуля надежность ее функционирования. Это обстоятельство ограничивает применимость известного устройства для примораживания крупных деталей при их механической обработке, а также снижает интенсивность самого процесса обработки из-за ограничений по тепловому потоку.A disadvantage of the known design is the inability to use powerful thermopiles with a supply current of about 100 A and higher due to the occurrence of significant mechanical stresses in this thermopile design due to the thermal expansion (compression) of materials, as well as the bimetallic effect, which reduces the reliability of its operation to almost zero. This circumstance limits the applicability of the known device for freezing large parts during their machining, and also reduces the intensity of the processing process due to restrictions on heat flow.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание термоэлектрической батареи, лишенной указанных недостатков.The problem to which the invention is directed is to create a thermoelectric battery devoid of these disadvantages.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности и надежности крепления деталей.The technical result achieved by using the invention is to increase the efficiency and reliability of fastening parts.

Решение поставленной задачи с достижением технического результата обеспечивается тем, что в устройстве для крепления деталей методом примораживания, включающем в себя термоэлектрическую батарею, состоящую из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, приводимую в тепловой контакт с деталью- объектом примораживания, и систему теплосброса, электрическое соединение ветвей в термоэлектрической батареи осуществляется посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой, причем каждая ветвь в термоэлектрической батарее контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами, при этом коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, причем концы коммутационных пластин, осуществляющих холодные контакты, выполнены с сечением Т-образной формы и выступают за одну поверхность структуры, а концы коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, - за другую, при этом свободные концы коммутационных пластин, осуществляющих холодные контакты, припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину, с противоположной стороны которой устанавливается объект примораживания, свободные же концы коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, сопрягаются с системой теплосброса, пространство же, ограниченное керамической пластиной и поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, заполнено теплоизоляцией, причем слой теплоизоляции нанесен также на оставшуюся поверхность термоэлектрической батареи.The solution of the problem with the achievement of the technical result is ensured by the fact that in the device for fastening parts by the freezing method, which includes a thermoelectric battery consisting of semiconductor thermoelements connected in series to the electric circuit by means of connection plates, each of which is formed by two branches made of a semiconductor respectively p - and n-type, brought into thermal contact with the part - the object of freezing, and a heat transfer system, electrical The branches are separated in the thermoelectric battery by means of the contact: the p-type branch - the connection plate - the n-type branch, where the p-type branch contacts the end surface with one of the surfaces of the connection plate and the n-type branch contacts the other, and each branch in the thermoelectric the battery contacts opposite end surfaces with two connection plates, while the connection plates have an area slightly larger than the cross-sectional area of the p- and n-type branches, as a result of which they The protrusions protrude beyond the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery, with the ends of the connecting plates making cold contacts made with a T-shaped cross section and protruding beyond one surface of the structure, and the ends of the connecting plates making hot contacts behind the other, while free the ends of the connecting plates carrying out cold contacts are soldered to areas electrically insulated from each other, made in the form of films of metals or alloys deposited on a ceramic layer the inu, on the opposite side of which the object of freezing is installed, the free ends of the connecting plates making hot contacts are mated to a heat release system, the space limited by the ceramic plate and the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery is filled with thermal insulation, and the insulation layer is also applied to the remaining surface of thermoelectric battery.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена конструкция устройства.The invention is illustrated in the drawing, which shows the design of the device.

Устройство содержит ТЭБ 1, приводимую в тепловой контакт с деталью (объектом примораживания) 2, и систему теплосброса 3.The device contains a thermopile 1, driven into thermal contact with the part (frostbitten object) 2, and a heat release system 3.

ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин 4 и 5 чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р-типа 6 и n-типа 7. Электрическое соединение ветвей осуществляют посредством контакта ветвь р-типа 6 - коммутационная пластина 4 или 5 - ветвь n-типа 7, где ветвь р-типа 6 контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа 7 - с другой. Каждая ветвь в ТЭБ контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами 4 и 5. Коммутационные пластины 4 и 5 имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа 6 и 7, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ. Концы коммутационных пластин 4, осуществляющих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а концы коммутационных пластин 5, осуществляющих горячие контакты, - за другую.TEB consists of alternating branches connected in series into the electric circuit by means of switching plates 4 and 5, made of p-type 6 and n-type 7 semiconductor, respectively. The electric connection of the branches is carried out by means of contact p-type branch 6 - connection plate 4 or 5 - branch n-type 7, where the branch of p-type 6 is in contact with the end surface from one of the surfaces of the patch plate, and the branch of n-type 7 is on the other. Each branch in the thermopile is in contact with opposite end surfaces with two switching plates 4 and 5. The switching plates 4 and 5 have an area slightly larger than the cross-sectional area of the p- and n-type branches 6 and 7, as a result of which their ends protrude beyond the surface of the structure formed by the branches of the thermopile. The ends of the connecting plates 4, carrying out cold contacts, protrude beyond one surface of the structure, and the ends of the connecting plates 5, carrying out hot contacts, beyond the other.

Свободные концы коммутационных пластин 4 выполнены с сечением Т-образной формы и припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам 8, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину 9, с противоположной стороны которой устанавливается объект примораживания 2. Свободные концы коммутационных пластин 5 сопрягаются с системой теплосброса 3. Пространство, ограниченное керамической пластиной 9 и поверхностью структуры, образованной ветвями ТЭБ, заполнено теплоизоляцией 10, причем слой теплоизоляции нанесен также на оставшуюся поверхность ТЭБ. Подвод электрической энергии к ТЭБ осуществляется через крайние коммутационные пластины.The free ends of the connecting plates 4 are made with a T-shaped cross section and are soldered to the areas 8 electrically insulated from each other, made in the form of films of metals or alloys deposited on a ceramic plate 9, on the opposite side of which a freezing object 2 is installed. Free ends of the connecting plates 5 mate with the heat-release system 3. The space limited by the ceramic plate 9 and the surface of the structure formed by the thermopile branches is filled with thermal insulation 10, and the thermal insulation layer on Esen and the remainder surface of TEB. The supply of electrical energy to the thermopile is carried out through the extreme switching plates.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии через контактные площадки 11, между коммутационными пластинами 4 и 5, представляющими собой контакты ветвей р- и п-типа 6 и 7, возникает разность температур, обусловленная выделением на одних концах ветвей и поглощением на других концах ветвей теплоты Пельтье. При указанной на чертеже полярности электрического тока происходит нагрев концов ветвей, контактирующих с коммутационными пластинами 5, и охлаждение концов ветвей, контактирующих с коммутационными пластинами 4. Если при этом за счет теплоотвода, осуществляемого системой теплосброса 3, температура коммутационных пластин 5 поддерживается на постоянном уровне, то температура керамической пластины 9, находящейся в тепловом контакте через площадки 8 с коммутационными пластинами 4, понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на керамической пластине 9 будет зависеть от тепловой нагрузки на ней. Тепловая нагрузка складывается из теплопритока из окружающей среды, тепла от горячих коммутационных пластин 5, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля, а также тепла, поступающего от объекта примораживания 2. Теплоизоляция 10 служит для уменьшения теплопритока из окружающей среды.When a constant electric current is supplied through the thermopile, supplied from the source of electric energy through the contact pads 11, between the switching plates 4 and 5, which are the contacts of the p- and p-type branches 6 and 7, a temperature difference occurs due to the release at one end of the branches and absorption at other ends of the Peltier heat branches. With the polarity of the electric current indicated in the drawing, the ends of the branches in contact with the connection plates 5 are heated and the ends of the branches in contact with the connection plates 4 are cooled. If, at the same time, the temperature of the connection plates 5 is maintained at a constant level due to the heat sink implemented by the heat transfer system 3, then the temperature of the ceramic plate 9, which is in thermal contact through the platform 8 with the switching plates 4, will drop to a certain certain value. For a given electric current, the magnitude of the temperature decrease on the ceramic plate 9 will depend on the heat load on it. The heat load consists of the heat gain from the environment, the heat from the hot patch plates 5, due to the heat conductivity of the thermopile forming branches, the Joule heat, as well as the heat coming from the frostbite 2. The heat insulation 10 serves to reduce the heat gain from the environment.

В заявляемом устройстве для крепления деталей методом примораживания:In the inventive device for mounting parts by freezing:

1) частично или полностью исключаются механические напряжения, возникающие в ветвях термоэлементов р- и n-типа за счет линейной компенсации теплового расширения одних концов (горячих) ветвей линейным сжатием других концов (холодных), что приводит к повышению надежности ТЭБ;1) the mechanical stresses arising in the branches of p-type and n-type thermoelements are partially or completely eliminated due to the linear compensation of thermal expansion of one ends of the (hot) branches by linear compression of the other ends (cold), which leads to an increase in the reliability of the thermopile;

2) в значительной мере устраняются перетоки тепла с горячих коммутационных пластин на холодные по межтермоэлементным пространствам за счет их более плотной упаковки;2) heat flows from hot switching plates to cold along inter-thermoelement spaces are largely eliminated due to their denser packing;

3) коммутационные пластины вследствие специфики исполнения электрических контактов ТЭБ имеют намного меньшую толщину, чем в прототипе, следствием чего является значительное уменьшение их электрических сопротивлений и теплоемкости, что дает возможность достигнуть более низких температур, а также уменьшает длительность выхода ТЭБ на рабочий режим;3) connection plates due to the specifics of the performance of the electrical contacts of the thermopile, have a much smaller thickness than in the prototype, the consequence of which is a significant decrease in their electrical resistances and heat capacity, which makes it possible to achieve lower temperatures, and also reduces the duration of the thermopile on the operating mode;

4) в ТЭБ могут быть использованы ветви различной длины, что дает возможность более точного согласования таких параметров, как оптимальный ток и перепад температур для каждой пары ветвей р- и n-типа, следствием чего является повышение энергетической эффективности ТЭБ и всего устройства в целом.4) branches of various lengths can be used in the thermopile, which makes it possible to more accurately coordinate parameters such as the optimal current and temperature difference for each pair of p-type and n-type branches, resulting in an increase in the energy efficiency of the thermopile and the whole device.

ЛитератураLiterature

1. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев: Наукова думка, 1979.1. Anatychuk L.I. Thermocouples and thermoelectric devices. Kiev: Naukova Dumka, 1979.

Claims

A device for fastening parts by freezing, including a thermoelectric battery, consisting of semiconductor thermoelements connected in series to the electrical circuit by means of connecting plates, each of which is formed by two branches made of p- and n-type semiconductor, respectively, brought into thermal contact with the part -the object of freezing, and a heat release system, characterized in that the electrical connection of the branches in a thermoelectric battery is carried out by m of the contact, the p-type branch - the connection plate is the n-type branch, where the p-type branch contacts the end surface with one of the surfaces of the connection plate and the n-type branch contacts the other, and each branch in the thermoelectric battery contacts the opposite end surfaces with two connecting plates, while the connecting plates have an area slightly larger than the cross-sectional area of the p- and n-type branches, as a result of which their ends protrude beyond the surface of the structure formed by the thermoelectric branches a battery, moreover, the ends of the connecting plates making cold contacts are made with a T-shaped cross-section and protruding beyond one surface of the structure, and the ends of the connecting plates making hot contacts are behind the other, while the free ends of the connecting plates making cold contacts soldered to electrically insulated from each other areas made in the form of films of metals or alloys deposited on a ceramic plate, on the opposite side of which is set the object of frost Bani, the free ends of the switching plates carrying hot contacts mate with teplosbrosa system, the space bounded by the ceramic plate and the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery, filled with thermal insulation, wherein the insulation layer is also applied to the remaining surface of the thermoelectric battery.