RU85756U1

RU85756U1 - THERMOELECTRIC COOLING DEVICE

Info

Publication number: RU85756U1
Application number: RU2009116166/22U
Authority: RU
Inventors: Олег Маркович Нарва; Сергей Юрьевич Макаров; Владимир Викторович Муравьев; Дмитрий Сергеевич Никулин; Ирина Викторовна Алятина; Наталья Васильевна Шевцова
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Адв-Инжиниринг"
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2009-08-10

Abstract

1. Термоэлектрическое охлаждающее устройство, включающее подложки, состоящие из металлических оснований и диэлектрических теплопроводящих слоев, полупроводниковые ветви n- и р-типов проводимости, объединенные попарно-попеременно металлическими шинами в единую электрическую цепь, размещенные между подложками так, что все горячие спаи соединены с одной подложкой, а все холодные - с противоположной, отличающееся тем, что диэлектрические теплопроводящие слои подложек выполнены из полимеризованного силиконового геля со вспененной структурой и армированного стекловолокном, а металлические основания подложек с диэлектрическими теплопроводящими слоями соединены с жестко связанными в электрические цепи полупроводниковыми ветвями давлением сжатия. ! 2. Термоэлектрическое охлаждающее устройство по п.1, отличающееся тем, что диэлектрические теплопроводящие слои размещены с двух сторон металлических оснований.1. Thermoelectric cooling device, including substrates consisting of metal bases and dielectric heat-conducting layers, semiconductor branches of n- and p-types of conductivity, combined alternately by metal busbars alternately in a single electric circuit, placed between the substrates so that all hot junctions are connected to one substrate, and all cold - with the opposite, characterized in that the dielectric heat-conducting layers of the substrates are made of polymerized silicone gel with a foamed structure swarm and reinforced with fiberglass, and the metal bases of the substrates with dielectric heat-conducting layers are connected with compression pressure rigidly connected to the electrical circuits by semiconductor branches. ! 2. Thermoelectric cooling device according to claim 1, characterized in that the dielectric heat conducting layers are placed on both sides of the metal bases.

Description

Полезная модель относится к термоэлектрическим охлаждающим устройствам (ТОУ), обеспечивающим преобразование электрической энергии в тепловую, основанное на эффекте Пельтье.. В научно-технической и патентной литературе нет терминологического единообразия. Этот объект называют также «термоэлектическое охлаждающее устройство», «модуль Пельтье», «панель Пельтье».The utility model relates to thermoelectric cooling devices (TOU), providing the conversion of electric energy into heat, based on the Peltier effect. There is no terminological uniformity in the scientific, technical and patent literature. This object is also called “thermoelectric cooling device”, “Peltier module”, “Peltier panel”.

ТОУ находят применение в оптико-электронных системах, в ЭВМ, в медицине, в бытовой технике, на транспорте и в других областях.TOU are used in optoelectronic systems, computers, medicine, household appliances, transport and other fields.

ТОУ состоит из полупроводниковых ветвей с проводимостями p-типа и n-типа, расположенных между двумя диэлектрическими подложками, на поверхностях которых имеются коммутационные площадки, соединяющие полупроводниковые ветви в единую электрическую цепь.The TOU consists of semiconductor branches with p-type and n-type conductivity located between two dielectric substrates, on the surfaces of which there are switching platforms connecting the semiconductor branches into a single electric circuit.

При пропускании тока через электрическую цепь на охлаждающей поверхности одной из подложек выделяется теплота Пельтье, а на поверхности теплоотводящей подложки - теплота Джоуля.When current is passed through an electric circuit, Peltier heat is released on the cooling surface of one of the substrates, and Joule heat is released on the surface of the heat-removing substrate.

Это свойство ТОУ используют для создания различных холодильных устройств, "откачивающих" тепловую энергию из рабочего пространства во внешнюю среду или передающих тепло от одной поверхности к другой.This property of the TOU is used to create various refrigeration devices that "pump" thermal energy from the workspace to the external environment or transfer heat from one surface to another.

По сравнению с традиционными холодильными агрегатами термоэлектрические охлаждающие устройства обладают такими преимуществами, как малые масса и габариты, высокая надежность, экологическая чистота.Compared with traditional refrigeration units, thermoelectric cooling devices have such advantages as low weight and dimensions, high reliability, environmental friendliness.

Известно термоэлектрическое устройство, содержащее полупроводниковые ветви с проводимостями p- и n-типов, объединенные попарно - попеременно медными шинами в единую электрическую цепь, размещенные между керамическими подложками. Все холодные и все горячие спаи полупроводниковых ветвей расположены на противоположных сторонах, и их медные шины припаяны к металлическим контактным площадкам, выполненным металлизацией надлежащим образом на керамических подложках. Устройство содержит подложки, платы с нанесенным проводящим слоем и припаянные на контактных площадках плат шины (DE, заявка N 4006861, Н01L 35/32, F25В 21/02, 1990 г.).A thermoelectric device is known that contains semiconductor branches with p- and n-type conductivities, combined in pairs - alternately with copper busbars in a single electrical circuit, placed between ceramic substrates. All cold and all hot junctions of semiconductor branches are located on opposite sides, and their copper busbars are soldered to metal contact pads, properly metallized on ceramic substrates. The device contains substrates, boards with a deposited conductive layer and busbars soldered on the contact pads (DE, application N 4006861, Н01L 35/32, F25В 21/02, 1990).

Недостатком известного устройства является потеря механических и диэлектрических свойств подложки в условиях перепада температур в несколько десятков градусов и при механических воздействиях из-за возникновения в керамических подложках напряжений и последующего растрескивания. Другой недостаток связан с различием коэффициентов расширения применяемых материалов, особенно между медью и алюмооксидной керамикой, которая использована в известном модуле. Это также снижает надежность устройства.A disadvantage of the known device is the loss of the mechanical and dielectric properties of the substrate under conditions of a temperature difference of several tens of degrees and during mechanical stresses due to the occurrence of stresses in the ceramic substrates and subsequent cracking. Another disadvantage is related to the difference in the expansion coefficients of the materials used, especially between copper and alumina ceramics, which is used in the known module. It also reduces the reliability of the device.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является термоэлектрическое устройство, содержащее полупроводниковые ветви с проводимостями p-типа и n-типа, объединенные попарно - попеременно металлическими шинами в единую электрическую цепь, размещенные между подложками так, что все горячие спаи соединены через контактные площадками с одной подложкой, а все холодные с противоположной, в котором подложки выполнены в виде металлического основания с нанесенным на него полиимидным слоем. Металлическое основание выполнено из алюминия, или из титана, или из стали, или из тантала (Патент РФ №2075138, опубл. 10.03.1997, H01L 35/30).The closest to the claimed technical solution in terms of technical nature and the achieved result is a thermoelectric device containing semiconductor branches with p-type and n-type conductivities, combined in pairs - alternately by metal buses in a single electrical circuit, placed between the substrates so that all hot junctions are connected through contact pads with one substrate, and all cold with the opposite, in which the substrate is made in the form of a metal base with a polyimide with OEM. The metal base is made of aluminum, or of titanium, or of steel, or of tantalum (RF Patent No. 2075138, publ. 03/10/1997, H01L 35/30).

Для увеличения холодопроизводительности устройства n-ное количество одинаковых единичных термоэлектрических элементов размещают под одной металлической теплопроводящей пластиной.To increase the cooling capacity of the device, an nth number of identical single thermoelectric elements is placed under one metal heat-conducting plate.

Недостатком конструкции такого термоэлектрического устройства является снижение его механической прочности с увеличением площади металлических пластин, являющихся основанием устройства. С увеличением площади снижаются ресурс устройства (срок службы) и количество термоциклов.A design drawback of such a thermoelectric device is a decrease in its mechanical strength with an increase in the area of metal plates that are the base of the device. With an increase in the area, the device’s life (service life) and the number of thermal cycles decrease.

Задачей, решаемой полезной моделью, является увеличение площади охлаждаемой поверхности при увеличении ресурса устройства и термоцикличности.The problem solved by the utility model is to increase the area of the cooled surface while increasing the resource of the device and thermal cycling.

Поставленная задача решается тем, что в термоэлектрическом термоохлаждающем устройстве, включающем подложки, состоящие из металлических оснований и диэлектрических теплопроводящих слоев, полупроводниковые ветви p- и n-типа проводимости, объединенные попарно-попеременно металлическими шинами в единую электрическую цепь, размещенные между подложками так, что все горячие спаи соединены с одной подложкой, а все холодные - с противоположной стороны, предложено диэлектрические теплопроводящие слои подложек выполнять из полимеризованного силиконового геля со вспененной структурой, и армированного стекловолокном, а металлические основания подложек с диэлектрическими слоями соединять с жестко связанными в электрические цепи полупроводниковыми ветвями давлением сжатия. Кроме того, диэлектрические теплопроводящие слои размещены с двух сторон металлических оснований.The problem is solved in that in a thermoelectric thermo-cooling device, including substrates, consisting of metal bases and dielectric heat-conducting layers, semiconductor branches of p- and n-type conductivity, paired alternately by metal buses in a single electrical circuit, placed between the substrates so that all hot junctions are connected to one substrate, and all cold junctions are on the opposite side, it is proposed that the dielectric heat-conducting layers of substrates be made of polymerized ilikonovogo gel with a foamed structure, and glass-reinforced, and metal base substrates with dielectric layers to connect rigidly connected to electrical circuit branches semiconductor pressure compression. In addition, dielectric heat-conducting layers are placed on both sides of the metal bases.

Сущность заявленной конструкции заключается в том, что предложено новое сочетание материалов подложек панели, а именно использование в качестве диэлектрического теплопроводящего слоя полимеризованного силиконового геля со вспененной структурой, и армированного стекловолокном; предложено соединение сжатием под давлением металлического основания и диэлектрических слоев подложек непосредственно с жестко связанными в электрические цепи полупроводниковыми ветвями p- и n- типов проводимости, а также размещение диэлектрического теплопроводящего слоя по обеим сторонам металлического основания подложек.The essence of the claimed design lies in the fact that a new combination of panel substrate materials is proposed, namely, the use of a polymerized silicone gel with a foamed structure as a dielectric heat-conducting layer and reinforced with fiberglass; It is proposed that compression under pressure a metal base and dielectric layers of substrates directly connected to semiconductor branches of p- and n-types of conductivity rigidly connected to electric circuits, as well as the placement of a dielectric heat-conducting layer on both sides of the metal base of the substrates.

Совокупность этих признаков позволяет наиболее полно использовать свойства полимеризованного силиконового геля со вспененной структурой, и армированного стекловолокном, обеспечивая конструкции термоэлектрического охлаждающего устройства в целом существенное снижение теплопотерь (холодопотерь), существенное снижение возможности электрического пробоя (диэлектрические свойства) и высокую механическую прочность. Именно эти свойства позволяют увеличить количество единичных термоэлектрических элементов в одном термоэлектрическом устройстве и, таким образом, существенно увеличить площадь холодообразующей поверхности и термоэлектрические характеристики.The combination of these features allows the fullest use of the properties of polymerized silicone gel with a foamed structure and reinforced with fiberglass, providing the design of the thermoelectric cooling device as a whole, a significant reduction in heat loss (cold loss), a significant reduction in the possibility of electrical breakdown (dielectric properties) and high mechanical strength. It is these properties that make it possible to increase the number of single thermoelectric elements in one thermoelectric device and, thus, significantly increase the area of the cold-forming surface and thermoelectric characteristics.

Также высокие демпфирующие и теплопроводящие свойства диэлектрического слоя позволяют применить для сборки термоэлектрического устройства давление сжатия без риска разрушения термоэлектрических модулей, расположенных между подложками.Also, the high damping and heat-conducting properties of the dielectric layer make it possible to use compression pressure to assemble the thermoelectric device without the risk of destruction of the thermoelectric modules located between the substrates.

Отсутствие необходимости в других материалах для обеспечения сборки устройства позволяет минимизировать его габариты по высоте, упростить процесс сборки, существенно увеличить выход годного при их производстве, сохранив при этом высокие термоэлектрические характеристики, существенно увеличить ресурс и количество термоциклов.The absence of the need for other materials to ensure the assembly of the device allows minimizing its height dimensions, simplifying the assembly process, significantly increasing the yield during their production, while maintaining high thermoelectric characteristics, significantly increasing the life and number of thermal cycles.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом, где на фиг.1 приведена схематично конструкция термоэлектрического устройства.The essence of the utility model is illustrated by graphic material, where figure 1 shows a schematic design of a thermoelectric device.

На фиг.1 введены следующие обозначения:Figure 1 introduced the following notation:

1,2 - теплообменные металлические пластины - металлические основания подложек;1,2 - heat transfer metal plates - metal bases of substrates;

3,4 - диэлектрические теплопроводящие слои;3,4 - dielectric heat-conducting layers;

5 - металлические шины;5 - metal tires;

6 - полупроводниковые ветви n-типа проводимости;6 - semiconductor branches of n-type conductivity;

7 - полупроводниковые ветви р-типа проводимости.7 - semiconductor branch p-type conductivity.

Две теплообменные металлические пластины определяют либо холодную сторону, либо горячую сторону устройства в зависимости от полярности прикладываемого напряжения. При подаче положительного потенциала к материалу с n-типом проводимости температура одной из металлических пластин будет снижаться по мере поглощения тепла. Степень охлаждения пропорциональна величине тока и количеству термоэлектрических пар в матрице, при этом охлаждение происходит, когда электроны переходят с низкого энергетического уровня в материале р-типа проводимости на более высокий энергетический уровень в материале n-типа проводимости.Two heat-exchange metal plates define either the cold side or the hot side of the device depending on the polarity of the applied voltage. When a positive potential is applied to a material with n-type conductivity, the temperature of one of the metal plates will decrease as heat is absorbed. The degree of cooling is proportional to the magnitude of the current and the number of thermoelectric pairs in the matrix, while cooling occurs when the electrons pass from a low energy level in the p-type material to a higher energy level in the n-type material.

Принцип данного устройства состоит в том, что к выводным контактам (на фигуре не показано) термоэлектрического устройства прикладывают постоянное напряжение. При прохождении тока через термоэлектрические пары 6 и 7 на одной из теплообменных пластин 1 поглощается некоторое количество теплоты, а на другой пластине 2 выделяется некоторое количество теплоты в соответствии с эффектом Пельтье.The principle of this device is that a constant voltage is applied to the output contacts (not shown in the figure) of the thermoelectric device. When a current passes through thermoelectric pairs 6 and 7, one of the heat exchange plates 1 absorbs a certain amount of heat, and a certain amount of heat is released on the other plate 2 in accordance with the Peltier effect.

Способ изготовления данного устройства включает выполнение следующих операций.A method of manufacturing this device includes the following operations.

Предварительно коммутационные шины 5 соединяют методом пайки с ветвями 6 и 7 из материалов n- и р-типов проводимости, соответственно, образуя электрическую цепь. Далее на поверхности теплообменных металлических (медных) пластин 1 и 2 наносят слой 3, 4 диэлектрического материала из полимеризованного силиконового геля со вспененной структурой и армированного стекловолокном. Затем на одну теплообменную пластину 1 с нанесенным диэлектрическим слоем 3 укладывают соединенные в электрическую цепь ветви 6, 7 n- и р-типов проводимости, поджимают и накрывают второй пластиной 2 с диэлектрическим слоем 4 и снова поджимают.Previously, the switching bus 5 is connected by soldering to the branches 6 and 7 of materials of n- and p-types of conductivity, respectively, forming an electric circuit. Then, a layer 3, 4 of a dielectric material of a polymerized silicone gel with a foamed structure and reinforced with fiberglass is applied to the surface of the heat-exchanging metal (copper) plates 1 and 2. Then, on the heat exchange plate 1 coated with a dielectric layer 3, branches 6, 7 of n- and p-types of conductivity connected in an electric circuit are laid, pressed and covered with a second plate 2 with a dielectric layer 4, and pressed again.

Таким образом, получают термоэлектрическое устройство, в котором электрически соединенные ветви n- и р-типов проводимости располагаются между двумя металлодиэлектрическими слоями (подложками), образуя сэндвич-структуру. Такой принцип сборки позволяет получать ТОУ с любыми размерами теплопроводящих поверхностей и любым количеством термоэлектрических элементов, расположенных между ними.Thus, a thermoelectric device is obtained in which electrically connected branches of n- and p-types of conductivity are located between two metal-dielectric layers (substrates), forming a sandwich structure. This assembly principle makes it possible to obtain a TOU with any size of heat-conducting surfaces and any number of thermoelectric elements located between them.

Технический результат состоит в увеличении срока службы (ресурса), количества термоциклов и выхода годного при производстве термоэлектрических охлаждающих устройств.The technical result consists in increasing the service life (resource), the number of thermal cycles and the yield in the manufacture of thermoelectric cooling devices.

Использование данной полезной модели приводит к таким коммерческим преимуществам, как увеличение площади теплосъемных поверхностей без ограничения количества ветвей n- и р- типов проводимости и с сохранением надежности и высоких термоэлектрических характеристик.The use of this utility model leads to such commercial advantages as an increase in the area of heat-removing surfaces without limiting the number of branches of n- and p-types of conductivity and while maintaining reliability and high thermoelectric characteristics.

Claims

1. Thermoelectric cooling device, including substrates consisting of metal bases and dielectric heat-conducting layers, semiconductor branches of n- and p-types of conductivity, combined alternately by metal busbars alternately in a single electric circuit, placed between the substrates so that all hot junctions are connected to one substrate, and all cold - with the opposite, characterized in that the dielectric heat-conducting layers of the substrates are made of polymerized silicone gel with a foamed structure swarm and reinforced with fiberglass, and the metal bases of the substrates with dielectric heat-conducting layers are connected with compression pressure rigidly connected to the electrical circuits by semiconductor branches.

2. Thermoelectric cooling device according to claim 1, characterized in that the dielectric heat conducting layers are placed on both sides of the metal bases.