RU2521146C1 - Method of manufacturing thermoelectrical cooling element - Google Patents
Method of manufacturing thermoelectrical cooling element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2521146C1 RU2521146C1 RU2013105973/28A RU2013105973A RU2521146C1 RU 2521146 C1 RU2521146 C1 RU 2521146C1 RU 2013105973/28 A RU2013105973/28 A RU 2013105973/28A RU 2013105973 A RU2013105973 A RU 2013105973A RU 2521146 C1 RU2521146 C1 RU 2521146C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- conductivity
- polymer
- solution
- mol
- concentration
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 18
- PAYRUJLWNCNPSJ-UHFFFAOYSA-N Aniline Chemical compound NC1=CC=CC=C1 PAYRUJLWNCNPSJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 claims abstract description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 32
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 28
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 25
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 18
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 18
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 15
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 15
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 13
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 11
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 6
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 claims description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 239000011964 heteropoly acid Substances 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 claims description 3
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 3
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 2
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000008213 purified water Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 2
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- MSNOMDLPLDYDME-UHFFFAOYSA-N gold nickel Chemical compound [Ni].[Au] MSNOMDLPLDYDME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229920001197 polyacetylene Polymers 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 150000005837 radical ions Chemical class 0.000 description 1
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 description 1
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Macromolecular Compounds Obtained By Forming Nitrogen-Containing Linkages In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к области создания охлаждающих элементов. Изобретение может быть использовано для получения холода для промышленного, бытового и специального охлаждения (промышленные холодильники, промышленные кондиционеры, бытовые кондиционеры, бытовые холодильники, охлаждение электронных компонентов в различных электронных устройствах, рефрижераторы).The invention relates to semiconductor technology, in particular to the field of creating cooling elements. The invention can be used to produce cold for industrial, domestic and special cooling (industrial refrigerators, industrial air conditioners, domestic air conditioners, household refrigerators, cooling of electronic components in various electronic devices, refrigerators).
Основной целью технических решений является создание охлаждающего элемента с высоким КПД холодопроизводительности по отношению к существующим аналогам.The main goal of technical solutions is to create a cooling element with high efficiency of cooling capacity in relation to existing analogues.
Известен полупроводниковый способ охлаждения на основе элементов Пельтье. Элемент Пельтье - это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на возникновении разности температур при протекании электрического тока [1]. В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию для перехода в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.Known semiconductor cooling method based on Peltier elements. The Peltier element is a thermoelectric converter, the principle of which is based on the occurrence of a temperature difference when an electric current flows [1]. The work of the Peltier elements is based on the contact of two conductive materials with different levels of electron energy in the conduction band. When a current flows through the contact of such materials, an electron must acquire energy to transfer to a higher-energy conduction band of another semiconductor. When this energy is absorbed, the contact point of the semiconductors is cooled. When the current flows in the opposite direction, the contact point of the semiconductors is heated, in addition to the usual thermal effect.
При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.When metals come into contact, the Peltier effect is so small that it is invisible against the background of ohmic heating and heat conduction phenomena. Therefore, in practical use, the contact of two semiconductors is used.
Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов - одного n-типа и одного р-типа в паре (обычно теллурида висмута BizTes и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей пленкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так что вверху находятся одни последовательности соединений (n->p), а снизу - противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются, или наоборот. Таким образом, электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создает разность температур.A Peltier element consists of one or more pairs of small semiconductor parallelepipeds - one n-type and one p-type in a pair (usually BizTes bismuth telluride and silicon germanide), which are paired with metal jumpers. Metal bridges simultaneously serve as thermal contacts and are insulated with a non-conductive film or ceramic plate. The pairs of parallelepipeds are connected in such a way that a series connection of many pairs of semiconductors with different types of conductivity is formed, so that one sequence of compounds (n-> p) is at the top, and opposite (p-> n) are at the bottom. Electric current flows sequentially through all parallelepipeds. Depending on the direction of the current, the upper contacts are cooled, and the lower ones are heated, or vice versa. Thus, an electric current transfers heat from one side of the Peltier element to the opposite and creates a temperature difference.
Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например, при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится еще ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К.If you cool the heating side of the Peltier element, for example, using a radiator and a fan, then the temperature of the cold side becomes even lower. In single-stage elements, depending on the type of element and the magnitude of the current, the temperature difference can reach approximately 70 K.
Достоинствами элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущих частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание - это дает возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.The advantages of the Peltier element are its small size, the absence of any moving parts, as well as gases and liquids. When reversing the direction of the current, both cooling and heating are possible - this makes it possible to thermostat at an ambient temperature both above and below the thermostat temperature.
Недостатками элемента Пельтье является очень низкий КПД, что ведет к большей потребляемой мощности для достижения заметной разности температур.The disadvantages of the Peltier element is a very low efficiency, which leads to greater power consumption to achieve a noticeable temperature difference.
Техническая задача заключается в создании способа изготовления термоэлектрических охлаждающих элементов с КПД не ниже 85%.The technical problem is to create a method of manufacturing thermoelectric cooling elements with an efficiency of at least 85%.
Сущность заявленного технического решения, согласно настоящему изобретению, заключается в том, что вместо полупроводниковых материалов используется полианилин, допированный различными химическими добавками.The essence of the claimed technical solution according to the present invention is that instead of semiconductor materials, polyaniline doped with various chemical additives is used.
Полианилин относится к классу проводящих полимеров, который обладает полупроводниковыми свойствами. В традиционных полупроводниках инжектированные носители фиксируются в виде зонных электронов и дырок без заметного искажения жесткой трехмерной кристаллической решетки. В органических молекулах, как известно, равновесная геометрия при ионизации существенно изменяется. В органическом полимере нежесткость квазиодномерной решетки приводит к локализации инжектированного при окислении или восстановлении заряда в области вызванного им искажения геометрии. Связанный с таким локальным искажением решетки ион-радикал называют поляроном, а получающийся при его ионизации бесспиновый двухзарядный ион - биполяроном. В транс-полиацетилене, основное состояние которого вырождено, возможно существование солитонов - бесспиновых однозарядных ионов и незаряженных радикалов, образование которых можно представить как результат распада поляронов и биполяронов. Такая схема допирования и запасания заряда в проводящих полимерах является практически общепринятой. Кроме того, предполагается, что при высокой концентрации дефектов их волновые функции могут перекрываться с образованием солитонных, поляронных и биполяронных зон, подобно тому как перекрывание волновых функций (орбиталей) электронов в периодической структуре (кристалле, полимерной цепочке) приводит к формированию хорошо известных электронных зон.Polyaniline belongs to the class of conductive polymers, which has semiconductor properties. In traditional semiconductors, the injected carriers are fixed in the form of band electrons and holes without noticeable distortion of the rigid three-dimensional crystal lattice. In organic molecules, as is known, the equilibrium geometry during ionization changes significantly. In an organic polymer, the nonrigidity of a quasi-one-dimensional lattice leads to the localization of the charge injected during oxidation or reduction in the region of the geometry distortion caused by it. The radical ion associated with such local lattice distortion is called the polaron, and the spinless doubly charged ion resulting from its ionization is called the bipolaron. In trans-polyacetylene, the ground state of which is degenerate, the existence of solitons is possible - spinless singly charged ions and uncharged radicals, the formation of which can be represented as a result of the decay of polarons and bipolarons. This scheme of doping and storage of charge in conductive polymers is almost universally accepted. In addition, it is assumed that, at a high concentration of defects, their wave functions can overlap with the formation of soliton, polaron, and bipolaron zones, just as the overlapping of the wave functions (orbitals) of electrons in a periodic structure (crystal, polymer chain) leads to the formation of well-known electron bands .
Структура полианилина димеризована, т.е. элементарная ячейка включает два мономерных звена за счет искажения Пайерлса:The structure of polyaniline is dimerized, i.e. the unit cell includes two monomer units due to Peierls distortion:
что приводит к расщеплению всех энергетических зон на две. Из валентной зоны получаются заполненная и пустая зоны, разделенные энергетической щелью Пайерлса. Отклонение от плоской геометрии молекулы за счет отталкивания атомов водорода в орто-положениях соседних колец увеличивает эту щель [2].which leads to the splitting of all energy zones into two. From the valence band, the filled and empty bands are obtained, separated by the Peierls energy gap. Deviation from the planar geometry of the molecule due to the repulsion of hydrogen atoms in the ortho positions of adjacent rings increases this gap [2].
Исходя из вышеизложенного, допированный полианилин может обладать как свойствами p-проводника, так и свойствами n-проводника в зависимости от добавки и pН среды.Based on the foregoing, doped polyaniline can possess both the properties of a p-conductor and the properties of an n-conductor depending on the additive and pH of the medium.
Изготовление полимерного материала с p-проводимостью выполняют следующим образом. На отмытую подложку из ситалла, сапфира, поликора или иного диэлектрического материала с одной стороны проводят напыление слоя металла, в качестве которого можно использовать золото, платину или хром. Далее приготавливают водный раствор, который содержит соляную кислоту с концентрацией 2 моль/л, анилин с концентрацией 0,7 моль/л и химическую добавку, состоящую из хлорида натрия с концентрацией 0,3 моль/л и хлорида калия с концентрацией 0,3 моль/л.The manufacture of a polymer material with p-conductivity is as follows. On one side, a metal layer is sputtered on a washed substrate of ceramic, sapphire, polycor or other dielectric material, which can be used gold, platinum or chromium. Next, prepare an aqueous solution that contains hydrochloric acid with a concentration of 2 mol / L, aniline with a concentration of 0.7 mol / L and a chemical additive consisting of sodium chloride with a concentration of 0.3 mol / L and potassium chloride with a concentration of 0.3 mol / l
Далее приготовленный раствор наливают в гальваническую ванну. Температура раствора должна быть в интервале от +15°С до +27°С. После чего в раствор на четверть опускают приготовленную подложку с напыленным металлическим слоем. Методом электрополимеризации наносят слой сорбента, представляющий собой пленку допированного полианилина.Next, the prepared solution is poured into a plating bath. The temperature of the solution should be in the range from + 15 ° C to + 27 ° C. Then, the prepared substrate with a sprayed metal layer is lowered into the solution by a quarter. An electropolymerization method is applied to a sorbent layer, which is a film of doped polyaniline.
Процесс осуществляют в режиме потенциостатического циклирования при потенциалах от плюс 3,3 В до минус 10,5 В на рабочем электроде, которым является подложка с напыленным металлическим слоем, относительно противоэлектрода, который в свою очередь может представлять собой графитовый стержень, проволоку из платины, золота, никеля, нержавеющей стали, хрома или пластин из этих же материалов. В ходе процесса наблюдается рост полимера на том участке поверхности напиленного металлического слоя, который контактирует с раствором. Время электрополимеризации процесса определяется индивидуально в каждом случае, в зависимости от толщины требуемого слоя для конкретной задачи. Далее подложку с допированным проводящим полимером промывают дистиллированной водой и высушивают.The process is carried out in potentiostatic cycling mode at potentials from plus 3.3 V to minus 10.5 V on the working electrode, which is a substrate with a sprayed metal layer, relative to the counter electrode, which in turn can be a graphite rod, a wire of platinum, gold nickel, stainless steel, chrome or plates of the same materials. During the process, polymer growth is observed on that part of the surface of the deposited metal layer that is in contact with the solution. The time of electropolymerization of the process is determined individually in each case, depending on the thickness of the required layer for a specific task. Next, the substrate with the doped conductive polymer is washed with distilled water and dried.
Изготовление полимерного материала с n-проводимостью выполняют следующим образом. Ту же самую пластину, которая с одного конца уже покрыта слоем проводящего полимера с p-проводимостью, после просушки на четверть опять опускают в гальваническую ванну с новым раствором другой стороной металлической поверхности таким образом, чтобы нанесенное в предыдущей операции покрытие не касалось поверхности раствора и между поверхностью раствора и границей нанесенного полимерного слоя с p-проводимостью оставался зазор в виде напыленного материала без полимерного покрытия. Водный раствор для изготовления полимерного материала с n-проводимостью содержит соляную кислоту с концентрацией 2 моль/л, анилин с концентрацией 0,4 моль/л и химическую добавку, представляющую собой гетерополикислоту 1-12 ряда с химической формулой H3PW12O40, с концентрацией 0,2 моль/л.The manufacture of a polymeric material with n-conductivity is as follows. The same plate, which is already coated at one end with a layer of a conductive polymer with p-conductivity, after drying by a quarter, is again lowered into a galvanic bath with a new solution on the other side of the metal surface so that the coating applied in the previous operation does not touch the solution surface and between the solution surface and the boundary of the deposited polymer layer with p-conductivity remained a gap in the form of a sprayed material without a polymer coating. An aqueous solution for the manufacture of a polymeric material with n-conductivity contains hydrochloric acid with a concentration of 2 mol / l, aniline with a concentration of 0.4 mol / l and a chemical additive, which is a heteropoly acid of 1-12 rows with the chemical formula H 3 PW 12 O 40 , with a concentration of 0.2 mol / l.
Далее, как и при изготовлении полимерного материала с p-проводимостью, процесс проводят в гальванической ванне в режиме потенциостатического циклирования при потенциалах от плюс 5,2 В до минус 1,4 В на рабочем электроде, которым является та же подложка с напыленным металлическим слоем и нанесенным полимерным слоем с p-проводимостью относительно противоэлектрода, который может представлять собой графитовый стержень, проволоку из платины, золота, хрома или пластины из этих же материалов. Температура раствора должна находиться в интервале от +10°С до +27°С. Время нанесения также выбирается индивидуально, как и в предыдущей операции. После завершения процесса электрополимеризации проводящий полимер n-типа покрывает четверть диэлектрической подложки на металлической поверхности с противоположной стороны и между слоями полимера находится зазор, где напылен слой металла (см. чертеж). Далее подложку с допированным проводящим полимером промывают дистиллированной водой и высушивают.Further, as in the manufacture of a polymeric material with p-conductivity, the process is carried out in a galvanic bath in the potentiostatic cycling mode at potentials from plus 5.2 V to minus 1.4 V on the working electrode, which is the same substrate with a sprayed metal layer and applied polymer layer with p-conductivity relative to the counter electrode, which may be a graphite rod, a wire of platinum, gold, chromium or a plate of the same materials. The temperature of the solution should be in the range from + 10 ° C to + 27 ° C. Application time is also individually selected, as in the previous operation. After the completion of the electropolymerization process, an n-type conductive polymer covers a quarter of the dielectric substrate on the metal surface on the opposite side and there is a gap between the polymer layers where the metal layer is sprayed (see drawing). Next, the substrate with the doped conductive polymer is washed with distilled water and dried.
Изготовленная таким образом подложка с двумя слоями проводящих полимеров p-типа и n-типа, разделенных между собой зазором с напыленным металлическим покрытием, служит основой для изготовления термоэлектрического охлаждающего элемента - аналога элемента Пельтье.A substrate made in this way with two layers of conductive p-type and n-type polymers, separated by a gap with a sprayed metal coating, serves as the basis for the manufacture of a thermoelectric cooling element - an analog of the Peltier element.
Термоэлектрический охлаждающий элемент изготавливают следующим образом. На изготовленную в предыдущих технологических операциях пластину 1 (см. чертеж) с напыленным металлическим покрытием 2 и покрытием с двух сторон слоями проводящих полимеров с p- и n-проводимостью накладывают два разделенных контактных электрода 5 и 6 на слои проводящих полимеров с p-проводмостью 3 и n-проводимостью 4. Контактные электроды 5 и 6 могут быть выполнены в виде металлических пластин из хрома, никеля, нержавеющей стали, титана, серебра, меди.Thermoelectric cooling element is made as follows. On a
Работа такого термоэлемента аналогична работе элементов Пельтье. От источника постоянного тока 7, как показано на чертеже, осуществляется питание данного изделия. Подложка 1 охлаждается, а контактные электроды 5 и 6 нагреваются. Если направление тока меняется, то процесс будет протекать наоборот.The operation of such a thermocouple is similar to the work of Peltier elements. From the
Пример. Способ изготовления термоэлектрического охлаждающего элемента.Example. A method of manufacturing a thermoelectric cooling element.
Изготовление осуществляли следующим образом. Взяли ситалловую подложку с габаритными размерами 40×40×3 мм. После тщательной промывки в эфире произвели напыления тонкого слоя хрома на одну сторону поверхности ситалловой подложки. Затем приготовили водный раствор, который содержит соляную кислоту с концентрацией 2 моль/л, анилин с концентрацией 0,7 моль/л и химическую добавку, состоящую из хлорида натрия с концентрацией 0,3 моль/л и хлорида калия с концентрацией 0,3 моль/л. Далее приготовленный раствор налили в гальваническую ванну. Измерили температуру, которая составила +19°С.The manufacture was carried out as follows. We took a glass substrate with overall dimensions of 40 × 40 × 3 mm. After thorough washing in ether, a thin layer of chromium was sprayed onto one side of the surface of the ceramic substrate. Then an aqueous solution was prepared that contains hydrochloric acid with a concentration of 2 mol / L, aniline with a concentration of 0.7 mol / L and a chemical additive consisting of sodium chloride with a concentration of 0.3 mol / L and potassium chloride with a concentration of 0.3 mol / l Next, the prepared solution was poured into a plating bath. The temperature was measured, which was + 19 ° C.
В раствор на четверть опустили подготовленную подложку с напыленным металлическим слоем хрома. После чего методом электрополимеризации нанесли слой сорбента, представляющий собой пленку допированного полианилина. Данный процесс осуществляли в режиме потенциостатического циклирования при потенциалах от плюс 3,3 В до минус 10,5 В на рабочем электроде, которым являлась подложка с напыленным металлическим слоем хрома относительно противоэлектрода, который был выполнен из графитового стержня. В ходе процесса наблюдался рост пленки полимера на участке поверхности напыленного металлического слоя хрома, который контактировал с раствором.A prepared substrate with a sprayed metal layer of chromium was lowered into the solution by a quarter. After that, a layer of sorbent, which is a film of doped polyaniline, was applied by electropolymerization. This process was carried out in potentiostatic cycling mode at potentials from plus 3.3 V to minus 10.5 V on the working electrode, which was a substrate with a deposited metal layer of chromium relative to the counter electrode, which was made of a graphite rod. During the process, a polymer film growth was observed on the surface area of the sprayed metal layer of chromium, which was in contact with the solution.
Время процесса электрополимеризации составило 20 мин. После чего подожку с допированным проводящим полимером промыли дистиллированной водой и высушили.The time of the electropolymerization process was 20 minutes. After that, the damp with a doped conductive polymer was washed with distilled water and dried.
Далее приступили ко второй операции - изготовлению полимерного материала с n-проводимостью. Ту же самую пластину, которая с одного конца уже покрыта слоем проводящего полимера с p-проводимостью, после просушки опустили на четверть в гальваническую ванну с новым раствором другой стороной металлической поверхности таким образом, чтобы нанесенное в предыдущей операции покрытие не касалось поверхности раствора и между поверхностью раствора и границей нанесенного полимерного слоя в предыдущей операции оставался зазор, представляющий собой слой напыленного хрома без покрытия.Then we proceeded to the second operation - the manufacture of a polymeric material with n-conductivity. The same plate, which is already coated at one end with a layer of a conductive polymer with p-conductivity, after drying, was lowered by a quarter in a galvanic bath with a new solution on the other side of the metal surface so that the coating applied in the previous operation does not touch the surface of the solution and between the surface solution and the boundary of the applied polymer layer in the previous operation, there was a gap, which is a layer of sprayed chromium without coating.
Новый водный раствор для изготовления полимерного материала с n-проводимостью приготовили таким образом, чтобы он содержал соляную кислоту с концентрацией 2 моль/л, анилин с концентрацией 0,4 моль/л и химическую добавку, представляющую собой гетерополикислоту 1-12 ряда с химической формулой H3PW12O40,, с концентрацией 0,2 моль/л.A new aqueous solution for the manufacture of a polymeric material with n-conductivity was prepared so that it contained hydrochloric acid with a concentration of 2 mol / l, aniline with a concentration of 0.4 mol / l and a chemical additive, which is a heteropoly acid of 1-12 rows with the chemical formula H 3 PW 12 O 40 ,, with a concentration of 0.2 mol / L.
Далее, как и при изготовлении полимерного материала с p-проводимостью, осуществили процесс электрополимеризации в гальванической ванне в режиме потенциостатического циклирования при потенциалах от плюс 5,2 В до минус 1,4 В на рабочем электроде, которым являлась та же подложка с напыленным металлическим слоем и нанесенным в предыдущей операции полимерным покрытием с p-проводимостью. Потенциалы задавались относительно противоэлектрода, который был выполнен из графитового стержня. Время нанесения составило 20 мин. Температуру раствора поддерживали в интервале 20-22°С. После завершения процесса электрополимеризации проводящий полимер n-типа покрыл другую четверть ситалловой подложки на металлической хромовой поверхности, и между слоями полимера образовался зазор, непокрытый полимером (см. чертеж). Далее подложку промыли дистиллированной водой и высушили. После чего на изготовленную в предыдущих технологических операциях подложку (см. чертеж) с напыленным металлическим хромовым покрытием и покрытием с двух сторон слоями проводящих полимеров с p- и n-проводимостью наложили два контактных раздельных электрода, выполненные из хромовых пластин и закрепили. После чего, как показано на чертеже, собранное изделие подключили к источнику тока.Further, as in the manufacture of a polymeric material with p-conductivity, we carried out the process of electropolymerization in a galvanic bath in the potentiostatic cycling mode at potentials from plus 5.2 V to minus 1.4 V on the working electrode, which was the same substrate with a sprayed metal layer and a p-conductivity polymer coating applied in a previous operation. The potentials were set relative to the counter electrode, which was made of a graphite rod. The application time was 20 minutes. The temperature of the solution was maintained in the range of 20-22 ° C. After the completion of the electropolymerization process, the n-type conductive polymer coated another quarter of the glass substrate on the metal chrome surface, and a gap was formed between the polymer layers, not covered by the polymer (see drawing). Next, the substrate was washed with distilled water and dried. Then, on a substrate made in previous technological operations (see the drawing) with a sprayed metal chrome coating and a coating on both sides with layers of conductive polymers with p and n conductivity, two separate contact electrodes made of chrome plates were applied and fixed. Then, as shown in the drawing, the assembled product was connected to a current source.
Напряжение на источники питания выставили 5,2 В. Сила тока при этом составила 0,052 А. Температура окружающей среды составляла 24°С. После подачи тока через 5 минут температура подложки составила минус 4°С. После установления показаний к охлаждающей подложке поднесли источник тепла с температурой +36°С. Температура охлаждаемой подложки увеличилась до минус 1°С, а ток увеличился до 0,078 А. Электрическая мощность термоэлектрического охлаждающего элемента изначально составляла 0,27 Вт, а после увеличения тепловой нагрузки составила 0,45 Вт.The voltage on the power sources was set to 5.2 V. The current strength was 0.052 A. The ambient temperature was 24 ° C. After applying the current after 5 minutes, the temperature of the substrate was minus 4 ° C. After the testimony was established, a heat source with a temperature of + 36 ° C was brought to the cooling substrate. The temperature of the cooled substrate increased to minus 1 ° C, and the current increased to 0.078 A. The electric power of the thermoelectric cooling element was initially 0.27 W, and after increasing the heat load it was 0.45 W.
Для сравнения эффективности со стандартным полупроводниковым элементом Пельтье был взят термоэлектрический охлаждающий элемент, аналогичный по габаритным размерам, компании «КРИОТЕРМ» [3] и был произведен аналогичный эксперимент. Напряжение на источнике тока выставили 2,2 В, ток при этом составил 0,88 А. Температура окружающей среды также составляла плюс 24°С, а температура охлаждаемой поверхности составила минус 4°С. После подачи на охлаждаемую поверхность элемента Пельтье источника тепла с температурой +36°С для стабильной работы элемента напряжение питания пришлось увеличить до 4,2 В. При этом ток увеличился до 1,75 А. Температура охлаждаемой поверхности также увеличилась до минус 1°С. Электрическая мощность элемента Пельтье изначально составляла 1,94 Вт, а после увеличения тепловой нагрузки составила 7,35 Вт.To compare the efficiency with a standard Peltier semiconductor element, a thermoelectric cooling element, similar in overall dimensions, to the KRIOTERM company [3] was taken and a similar experiment was performed. The voltage at the current source was set to 2.2 V, the current was 0.88 A. The ambient temperature was also + 24 ° C, and the temperature of the cooled surface was minus 4 ° C. After supplying a heat source with a temperature of + 36 ° С to the Peltier element to be cooled, the supply voltage had to be increased to 4.2 V. For stable operation of the element, the current increased to 1.75 A. The temperature of the cooled surface also increased to minus 1 ° С. The electric power of the Peltier element was initially 1.94 watts, and after increasing the heat load it was 7.35 watts.
Вывод. Предложенный способ изготовления термоэлектрического охлаждающего элемента в данном изобретении дает возможность изготавливать охлаждающие элементы, в 7-16 раз более эффективные по сравнению с существующими аналогами.Output. The proposed method of manufacturing a thermoelectric cooling element in this invention makes it possible to produce cooling elements that are 7-16 times more efficient than existing analogues.
Источники информацииInformation sources
1. Википедия - свободная энциклопедия. Элемент Пельтье,1. Wikipedia - the free encyclopedia. The Peltier element,
http://m.wikipedia.org/w/index.php?title=Элемент_Пельтье&oldid=48963856.http://m.wikipedia.org/w/index.php?title=Peltier Element&oldid=48963856.
2. Электрохимия полимеров / М.Р. Тарасевич, С.Б. Орлов, Н.И. Школьников и др. - М.: Наука, 1990, с.121-145.2. Electrochemistry of polymers / M.R. Tarasevich, S.B. Orlov, N.I. Shkolnikov et al. - M .: Nauka, 1990, p. 121-145.
3. Компания «КРИОТЕРМ», Термоэлектрические охлаждающие модули, http://shop.kryotherm.ru/mdex.php?idCat=1.3. KRIOTERM company, Thermoelectric cooling modules, http://shop.kryotherm.ru/mdex.php?idCat=1.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013105973/28A RU2521146C1 (en) | 2013-02-13 | 2013-02-13 | Method of manufacturing thermoelectrical cooling element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013105973/28A RU2521146C1 (en) | 2013-02-13 | 2013-02-13 | Method of manufacturing thermoelectrical cooling element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2521146C1 true RU2521146C1 (en) | 2014-06-27 |
Family
ID=51218143
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013105973/28A RU2521146C1 (en) | 2013-02-13 | 2013-02-13 | Method of manufacturing thermoelectrical cooling element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2521146C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2601209C2 (en) * | 2014-11-17 | 2016-10-27 | Александр Григорьевич Григорьянц | Method of making flexible thermoelectric module |
| RU172616U1 (en) * | 2017-03-10 | 2017-07-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева" (ФГБОУ ВО "ОГУ имени И.С. Тургенева") | SEMICONDUCTOR THERMAL ELEMENT DEVICE |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2075138C1 (en) * | 1993-10-05 | 1997-03-10 | Товарищество с ограниченной ответственностью "НИВИНТЭ" | Thermoelectric unit and method for its manufacturing |
| JP2003046145A (en) * | 2001-04-27 | 2003-02-14 | Naoki Toshima | Thermoelectric material, method of manufacturing the same and thermoelectric element |
| JP2006114793A (en) * | 2004-10-18 | 2006-04-27 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Thermoelement |
| WO2009029393A2 (en) * | 2007-08-03 | 2009-03-05 | Battelle Memorial Institute | Thermoelectric device and thermoelectric material |
| US20120318317A1 (en) * | 2010-02-10 | 2012-12-20 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Molecular thermoelectric device |
-
2013
- 2013-02-13 RU RU2013105973/28A patent/RU2521146C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2075138C1 (en) * | 1993-10-05 | 1997-03-10 | Товарищество с ограниченной ответственностью "НИВИНТЭ" | Thermoelectric unit and method for its manufacturing |
| JP2003046145A (en) * | 2001-04-27 | 2003-02-14 | Naoki Toshima | Thermoelectric material, method of manufacturing the same and thermoelectric element |
| JP2006114793A (en) * | 2004-10-18 | 2006-04-27 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Thermoelement |
| WO2009029393A2 (en) * | 2007-08-03 | 2009-03-05 | Battelle Memorial Institute | Thermoelectric device and thermoelectric material |
| US20120318317A1 (en) * | 2010-02-10 | 2012-12-20 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Molecular thermoelectric device |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2601209C2 (en) * | 2014-11-17 | 2016-10-27 | Александр Григорьевич Григорьянц | Method of making flexible thermoelectric module |
| RU172616U1 (en) * | 2017-03-10 | 2017-07-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева" (ФГБОУ ВО "ОГУ имени И.С. Тургенева") | SEMICONDUCTOR THERMAL ELEMENT DEVICE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gan et al. | α-CsPbI3 colloidal quantum dots: synthesis, photodynamics, and photovoltaic applications | |
| TWI739759B (en) | Thermoelectric element and thermoelectric module comprising the same, and method of thermoelectric generation using the same | |
| Jacobsson et al. | Determination of thermal expansion coefficients and locating the temperature-induced phase transition in methylammonium lead perovskites using x-ray diffraction | |
| Na et al. | Preparation of bismuth telluride films with high thermoelectric power factor | |
| Inoue et al. | Effects of substituted alkyl chain length on solution-processable layered organic semiconductor crystals | |
| McShane et al. | Effect of junction morphology on the performance of polycrystalline Cu2O homojunction solar cells | |
| Zhou et al. | Pressure-assisted annealing strategy for high-performance self-powered all-inorganic perovskite microcrystal photodetectors | |
| Li et al. | Effects of annealing and doping on nanostructured bismuth telluride thick films | |
| Ehsani | Influence of counter ions in electrochemical properties and kinetic parameters of poly tyramine electroactive film | |
| Yue et al. | Synthesis, characterization, and thermoelectric properties of a conducting copolymer of 1, 12-bis (carbazolyl) dodecane and thieno [3, 2-b] thiophene | |
| Liu et al. | An extremely high power factor in Seebeck effects based on a new n-type copper-based organic/inorganic hybrid C 6 H 4 NH 2 CuBr 2 I film with metal-like conductivity | |
| Ju et al. | Engineering counter-ion-induced disorder of a highly doped conjugated polymer for high thermoelectric performance | |
| RU2521146C1 (en) | Method of manufacturing thermoelectrical cooling element | |
| Osherov et al. | Role of solution chemistry in determining the morphology and photoconductivity of electrodeposited cuprous oxide films | |
| Burton et al. | Full thermoelectric characterization of stoichiometric electrodeposited thin film tin selenide (SnSe) | |
| Golgovici et al. | Cathodic deposition of components in BiSbTe ternary compounds as thermoelectric films using choline-chloride-based ionic liquids | |
| EP3076446A1 (en) | Hybrid type device | |
| Li et al. | Switchable dielectric two-dimensional lead-free perovskite with reversible thermochromic response | |
| KR20120098242A (en) | A manufacturing method of thermolectric semiconductor | |
| Kang et al. | Electrodeposition of Bi2Te3-based p and n-type ternary thermoelectric compounds in chloride baths | |
| Kaiwa et al. | Thermoelectric properties and thermoelectric devices of free-standing GaN and epitaxial GaN layer | |
| Sardarli et al. | Superionic conductivity in TlGaTe 2 crystals | |
| WO2015178793A1 (en) | Method for manufacturing a thermoelectric cooling element | |
| WO2015178795A1 (en) | Method for manufacturing a thermoelectric generator | |
| RU2525322C1 (en) | Method to manufacture thermoelectric generator |