RU92742U1

RU92742U1 - THERMOELECTRIC MODULE

Info

Publication number: RU92742U1
Application number: RU2009138553/22U
Authority: RU
Inventors: Лукьян Иванович Анатычук
Original assignee: Институт Термоэлектричества Национальной Академии Наук Украины И Министерства Образования И Науки Украины
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2010-03-27

Abstract

1. Термоэлектрический модуль с повышенной надежностью, содержащий полупроводниковые ветви n- и p-типа проводимости, каждая ветвь имеет две противоположные стороны - горячую сторону и холодную сторону, имеющие при работе модуля различные температуры горячей и холодной сторон, средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей, средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей, внешние электрические выводы для соединения модуля с внешней электрической цепью, отличающийся тем, что средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей содержат множество электрических проводников, на горячих сторонах полупроводниковых ветвей имеются пазы, указанные проводники имеют участки, расположенные внутри указанных пазов, а горячие стороны полупроводниковых ветвей и участки проводников, расположенные внутри указанных пазов, покрыты электропроводящим слоем, который частично заполняет пазы и электрически соединяет полупроводниковые ветви с указанными проводниками. ! 2. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей содержат множество электрических проводников, на холодных сторонах полупроводниковых ветвей имеются пазы, указанные проводники имеют участки, расположенные внутри указанных пазов, а холодные стороны полупроводниковых ветвей и участки проводников, расположенные внутри указанных пазов, покрыты электропроводящим слоем, который частично заполняет пазы и электрически соединяет полупроводниковые ветви с указанными проводниками. ! 3. Термоэлектриче1. A thermoelectric module with increased reliability, containing semiconductor branches of n- and p-type conductivity, each branch having two opposite sides - a hot side and a cold side, having different temperatures of the hot and cold sides during module operation, means for electrically switching the hot sides of the semiconductor branches, means for electrically switching the cold sides of the semiconductor branches, external electrical terminals for connecting the module to an external electrical circuit, characterized in that the means for electrically switching the hot sides of the semiconductor branches contain a plurality of electrical conductors, there are grooves on the hot sides of the semiconductor branches, said conductors have sections located inside said grooves, and the hot sides of the semiconductor branches and the sections of the conductors located inside said grooves are covered with an electrically conductive layer that partially fills the grooves and electrically connects the semiconductor branches to said conductors. ! 2. A thermoelectric module according to claim 1, characterized in that the means for electrically switching the cold sides of the semiconductor branches contain a plurality of electrical conductors, there are grooves on the cold sides of the semiconductor branches, said conductors have sections located inside said grooves, and the cold sides of the semiconductor branches and the sections of the conductors located inside said grooves are covered with an electrically conductive layer that partially fills the grooves and electrically connects the semiconductor branches to said conductors. ! 3. Thermoelectric

Description

Полезная модель относится к термоэлектрическим модулям для преобразования тепловой энергии в электрическую (термоэлектрические генераторы), а также к термоэлектрическим насосам, вырабатывающим холод и тепло при пропускании через них электрического тока.The utility model relates to thermoelectric modules for converting thermal energy into electrical energy (thermoelectric generators), as well as to thermoelectric pumps that generate cold and heat when an electric current is passed through them.

Настоящая полезная модель может быть использована для получения электрической энергии как генераторный термоэлектрический модуль в термоэлектрических генераторах, в том числе в источниках питания различного назначения, а также как термоэлектрический модуль охлаждения или нагрева в приборостроении, электронике, торговле, в промышленных и бытовых кондиционерах и.т.п.This utility model can be used to produce electrical energy as a thermoelectric generator module in thermoelectric generators, including various power supplies, as well as a thermoelectric cooling or heating module in instrumentation, electronics, trade, industrial and domestic air conditioners, etc. .P.

Известны термоэлектрические модули, содержащие полупроводниковые ветви n- и p-типа проводимости, средства электрической коммутации полупроводниковых ветвей, и внешние электрические выводы для соединения модуля со внешней электрической цепью.Known thermoelectric modules containing semiconductor branches of n- and p-type conductivity, means of electrical switching of semiconductor branches, and external electrical terminals for connecting the module to an external electrical circuit.

Они описаны в патентах US 4971632, US 497973, а также в каталогах и проспектах многочисленных фирм, выпускающих термоэлектрические модули, например Melcor, HiZ (США), Комацу (Япония).They are described in patents US 4971632, US 497973, as well as in catalogs and prospectuses of numerous companies producing thermoelectric modules, for example Melcor, HiZ (USA), Komatsu (Japan).

Наиболее близким к полезной модели является термоэлектрический модуль, описанный в патенте US 4497973.Closest to the utility model is the thermoelectric module described in US patent 4497973.

Такой известный термоэлектрический модуль, как и другие перечисленные выше известные модули, имеют следующие недостатки:Such a known thermoelectric module, like the other known modules listed above, have the following disadvantages:

1. Как правило, в таких модулях используются две теплопроводящие керамические пластины, жестко соединенные с полупроводниковыми ветвями, например при помощи пайки. Пластины при работе модуля находятся при разных температурах, а вдоль полупроводниковых ветвей имеется перепад температур. Поэтому в модуле возникают значительные механические напряжения из-за теплового расширения, если пластины фиксированы, или деформации, если в конструкции предусмотрена возможность подвижного соединения пластин с другими деталями модуля, например через теплопроводящую пасту. Эти механические напряжения и деформации имеют место в модуле даже при изотермических условиях. Они возникают в модуле при его изготовлении в условиях повышенных температур и последующем их снижении до температур, при которых модуль сохраняется или используется.1. As a rule, in such modules two heat-conducting ceramic plates are used, which are rigidly connected to semiconductor branches, for example, by soldering. During operation of the module, the plates are at different temperatures, and along the semiconductor branches there is a temperature difference. Therefore, significant mechanical stresses occur in the module due to thermal expansion, if the plates are fixed, or deformation, if the design provides for the possibility of a movable connection of the plates with other parts of the module, for example, through a heat-conducting paste. These mechanical stresses and strains occur in the module even under isothermal conditions. They arise in the module during its manufacture under conditions of elevated temperatures and their subsequent reduction to temperatures at which the module is stored or used.

Эти механические напряжения и деформации приводят к отказам известных модулей и ограничивают их надежность.These mechanical stresses and strains lead to failures of known modules and limit their reliability.

2. Известны модули, где имеется одна жесткая теплопроводящая керамическая пластина, как например в одном из вариантов, описанном в патенте US US497973. В этом случае снижаются механические напряжения и деформации. Однако в таком модуле керамическая пластина имеет жесткий контакт с металлическими коммутационными площадками, которые, например, вжигают в керамическую пластину. Из-за теплового расширения керамической пластины и металла коммутационных площадок также возникают механические напряжения и деформации, приводящие к отказам и снижению надежности.2. Known modules where there is one rigid heat-conducting ceramic plate, as for example in one of the options described in US patent US49497973. In this case, mechanical stress and strain are reduced. However, in such a module, the ceramic plate has a hard contact with metal switching areas, which, for example, are burned into the ceramic plate. Due to the thermal expansion of the ceramic plate and the metal of the switching platforms, mechanical stresses and deformations also occur, leading to failures and a decrease in reliability.

3. В известных модулях, где жесткая теплопроводящая керамическая пластина отсутствует, как например в еще одном из вариантов, описанном в патенте US 497973, также не решена задача обеспечения надежности. В этом случае разрушающие усилия возникают из-за различия в коэффициентах теплового расширения полупроводниковых ветвей и металлических коммутационных пластин, имеющих жесткое соединение с полупроводниковыми ветвями. Такое жесткое соединение часто выполняют припоем, однако толщина припоя плохо контролируема. При недостаточной толщине такой контакт слишком жесткий и не компенсирует деформацию, а при избыточной толщине припоя возрастает электрическое сопротивление соединения, что ухудшает эффективность модуля.3. In known modules where a rigid heat-conducting ceramic plate is absent, such as in another embodiment described in US Pat. No. 4,979,773, the task of ensuring reliability has also not been solved. In this case, destructive forces arise due to differences in the thermal expansion coefficients of the semiconductor branches and metal patch plates having a rigid connection with the semiconductor branches. Such a rigid connection is often performed with solder, but the thickness of the solder is poorly controlled. With insufficient thickness, such a contact is too rigid and does not compensate for deformation, and with excess thickness of the solder, the electrical resistance of the connection increases, which affects the efficiency of the module.

В основу полезной модели поставлена задача создания термоэлектрического модуля с высокой надежностью, более технологичного в изготовлении и удобного в использовании.The utility model is based on the task of creating a thermoelectric module with high reliability, more technological in manufacturing and convenient to use.

Для этого в термоэлектрическом модуле, содержащемFor this, in a thermoelectric module containing

а) полупроводниковые ветви n- и p-типа проводимости, каждая ветвь имеет две противоположные стороны - горячую сторону и холодную сторону, имеющие при работе модуля различные температуры горячей и холодной сторон,a) semiconductor branches of n- and p-type conductivity, each branch has two opposite sides - the hot side and the cold side, having different temperatures of the hot and cold sides during module operation,

б) средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей,b) means of electrical switching of hot sides of semiconductor branches,

в) средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей,c) means of electrical switching of the cold sides of semiconductor branches,

г) внешние электрические выводы для соединения модуля со внешней электрической цепью,d) external electrical terminals for connecting the module to an external electrical circuit,

средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей содержат множество электрических проводников, на горячих сторонах полупроводниковых ветвей имеются пазы, указанные проводники имеют участки, расположенные внутри указанных пазов, а горячие стороны полупроводниковых ветвей и участки проводников, расположенные внутри указанных пазов покрыты электропроводящим слоем, который частично заполняет пазы и электрически соединяет полупроводниковые ветви с указанными проводниками.means for electrically switching the hot sides of the semiconductor branches contain many electrical conductors, there are grooves on the hot sides of the semiconductor branches, these conductors have sections located inside these grooves, and the hot sides of the semiconductor branches and sections of conductors located inside these grooves are covered with an electrically conductive layer that partially fills grooves and electrically connects the semiconductor branches to said conductors.

В конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей также содержат множество электрических проводников, на холодных сторонах полупроводниковых ветвей имеются пазы, указанные проводники имеют участки, расположенные внутри указанных пазов, а холодные стороны полупроводниковых ветвей и участки проводников, расположенные внутри указанных пазов покрыты электропроводящим слоем, который частично заполняет пазы и электрически соединяет полупроводниковые ветви с указанными проводниками.In specific cases, the thermoelectric module of the means of electrical switching of the cold sides of the semiconductor branches also contain many electrical conductors, on the cold sides of the semiconductor branches there are grooves, these conductors have sections located inside these grooves, and the cold sides of the semiconductor branches and sections of conductors located inside these grooves covered with an electrically conductive layer that partially fills the grooves and electrically connects the semiconductor branch to said conductor.

В конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, электропроводящий слой выполнен в виде многослойного гальванического покрытия, содержащего антидиффузионные и металлические слои.In specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, the electrically conductive layer is made in the form of a multilayer galvanic coating containing anti-diffusion and metal layers.

В других конкретных случаях выполнения термоэлектрический модуль содержит по крайней мере одну керамическую пластину, керамическая пластина имеет по крайней мере одну металлизированую площадку, средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей, в отличие от средств коммутации горячих сторон, содержат указанные металлизированные площадки и имеют слои припоя, электрически соединяющие металлизированные площадки и холодные стороны полупроводниковых ветвей.In other specific cases, the thermoelectric module contains at least one ceramic plate, the ceramic plate has at least one metallized area, the means for electrical switching of the cold sides of the semiconductor branches, unlike the switching means of the hot sides, contain these metallized areas and have solder layers, electrically connecting metallized sites and cold sides of semiconductor branches.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит множество указанных керамических пластин, на каждой пластине имеется единственная металлизированная площадка, соединенная слоем припоя с двумя полупроводниковыми ветвями.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, it contains many of these ceramic plates, each plate has a single metallized area connected by a layer of solder to two semiconductor branches.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит керамические пластины, расположенные на теплопроводящей пластине, выполненной из металла или также из керамики с высокой теплопроводностью.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, it contains ceramic plates located on a heat-conducting plate made of metal or also ceramic with high thermal conductivity.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, полупроводниковые ветви выполнены составными и имеют по крайней мере две части из разных материалов, смежные части составной полупроводниковой ветви находятся в электрическом контакте и имеют пазы, в которых находятся металлические проводники, электрический контакт смежных частей составной полупроводниковой ветви выполнен в виде многослойного гальванического покрытия, содержащего антидиффузионные, электропроводящие слои и слой припоя.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, the semiconductor branches are made of composite and have at least two parts of different materials, adjacent parts of the composite semiconductor branches are in electrical contact and have grooves in which there are metal conductors, electrical contact of adjacent parts the composite semiconductor branch is made in the form of a multilayer galvanic coating containing anti-diffusion, electrically conductive layers and a solder layer.

В конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, указанные электрические проводники средств коммутации полупроводниковых ветвей содержат две группы электрических проводников,In specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, these electrical conductors of the switching means of semiconductor branches contain two groups of electrical conductors,

электрические проводники первой группы соединяют полупроводниковые ветви последовательно в цепочки,electrical conductors of the first group connect the semiconductor branches in series in chains,

каждая последовательная цепочка ветвей соединена с внешними электрическими выводами модуля,each serial chain of branches is connected to the external electrical terminals of the module,

электрические проводники второй группы осуществляют параллельные электрические соединения между ветвями последовательных цепочек,electrical conductors of the second group carry out parallel electrical connections between the branches of sequential chains,

электрические проводники первой группы расположены вдоль одного направления в пространстве, а электрические проводники второй группы расположены вдоль другого направления в пространстве, два этих направления не параллельны.electrical conductors of the first group are located along one direction in space, and electrical conductors of the second group are located along another direction in space, these two directions are not parallel.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит не менее двух идентичных блоков, каждый из блоков содержит полупроводниковые ветви, средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей и средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, it contains at least two identical blocks, each of the blocks contains semiconductor branches, means for electrical switching of the hot sides of the semiconductor branches and means for switching the cold sides of the semiconductor branches.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит герметичный корпус, имеющий по крайней мере два герметично соединенных элемента корпуса, герметичный корпус содержит демпфер термических деформаций, выполненный из упругого материала и соединяющий элементы герметичного корпуса.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, it contains a sealed enclosure having at least two hermetically connected housing elements, the sealed enclosure contains a thermal deformation damper made of an elastic material and connecting the elements of the sealed enclosure.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, демпфер термических деформаций выполнен в виде V-образного ребра.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, the thermal deformation damper is made in the form of a V-shaped rib.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, демпфер термических деформаций выполнен в виде сильфона.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, the thermal deformation damper is made in the form of a bellows.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, внутри герметичного корпуса имеется инертный газ и частицы твердого теплоизоляционного материала.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, inside the sealed enclosure there is an inert gas and particles of solid thermal insulation material.

На чертежах показано:The drawings show:

На Фиг.1 - общий вид термоэлектрического модуля согласно полезной модели.Figure 1 is a General view of a thermoelectric module according to a utility model.

На Фиг.2, 3, 4 - средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей, а именно:Figure 2, 3, 4 - means of electrical switching of the hot sides of the semiconductor branches, namely:

на Фиг.2 - общий вид средств электрической коммутации горячих сторон двух полупроводниковых ветвей;figure 2 is a General view of the means of electrical switching of the hot sides of two semiconductor branches;

на Фиг.3 - поперечное сечение участка полупроводниковой ветви в месте ее соединения со средствами электрической коммутации горячих сторон;figure 3 is a cross section of a section of a semiconductor branch at its junction with means of electrical switching of the hot sides;

на Фиг.4 - поперечное сечение участка полупроводниковой ветви в месте ее соединения со средствами электрической коммутации горячих сторон в увеличенном масштабе.figure 4 is a cross section of a portion of a semiconductor branch at its junction with electric switching means of the hot sides on an enlarged scale.

На Фиг.5 - поперечное сечение участка полупроводниковой ветви в месте ее соединения со средствами электрической коммутации холодных сторон.Figure 5 is a cross section of a portion of a semiconductor branch at its junction with electrical switching means of the cold sides.

На Фиг.6 - поперечное сечение контакта двух частей составной полупроводниковой ветви.Figure 6 is a cross section of the contact of two parts of a composite semiconductor branch.

На Фиг.7 - схема взаимного расположения в пространстве двух групп электрических проводников средств коммутации полупроводниковых ветвей.7 is a diagram of the mutual arrangement in space of two groups of electrical conductors of switching means of semiconductor branches.

На Фиг.8 - общий вид цепочки последовательно соединенных полупроводниковых ветвей.On Fig is a General view of a chain of series-connected semiconductor branches.

На Фиг.9, 10, 11, 12, 13 - электрические схемы коммутации термоэлектрического модуля.In Fig.9, 10, 11, 12, 13 - electrical switching circuits of a thermoelectric module.

На Фиг.14 - общий вид варианта выполнения полезной модели с идентичными блоками.On Fig - General view of a variant of implementation of the utility model with identical blocks.

На Фиг.15-19 - вариант выполнения полезной модели с герметичным корпусом, а именно:On Fig-19 - an embodiment of a utility model with a sealed enclosure, namely:

на Фиг.15 - общий вид корпуса термоэлектрического модуля;on Fig is a General view of the housing of the thermoelectric module;

на Фиг.16 - общий вид термоэлектрического модуля с частичным разрезом;on Fig is a General view of a thermoelectric module with a partial section;

на Фиг.17 - схема одного из вариантов выполнения демпфера термических деформаций герметичного корпуса.on Fig - diagram of one of the embodiments of the damper thermal deformation of the sealed enclosure.

Термоэлектрический модуль, согласно полезной модели, как это показано на Фиг.1, состоит из полупроводниковых ветвей 1 n- и p-типа проводимости, каждая ветвь имеет две противоположные стороны - горячую сторону 2 и холодную сторону 3, имеющие при работе модуля различные температуры горячей и холодной сторон.The thermoelectric module, according to the utility model, as shown in Fig. 1, consists of semiconductor branches 1 of n- and p-type conductivity, each branch has two opposite sides - the hot side 2 and the cold side 3, which have different hot temperatures during operation of the module and cold sides.

Модуль содержит также средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей 4, и средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей 5.The module also contains means for electrical switching of the hot sides of the semiconductor branches 4, and means for electrical switching of the cold sides of the semiconductor branches 5.

Внешние электрические выводы 6 предназначены для соединения модуля со внешней электрической цепью.External electrical terminals 6 are designed to connect the module to an external electrical circuit.

Средства 4 электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей содержат множество электрических проводников 7, показанных на Фиг.2, 3, 4, на горячих сторонах полупроводниковых ветвей имеются пазы 8, указанные проводники имеют участки 9, расположенные внутри указанных пазов, а горячие стороны полупроводниковых ветвей и участки 9 проводников, расположенные внутри указанных пазов 8 и покрыты электропроводящим слоем 10, который частично заполняет пазы 8 и электрически соединяет полупроводниковые ветви 1 с указанными проводниками 7.Means 4 for electrical switching of the hot sides of the semiconductor branches comprise a plurality of electrical conductors 7 shown in FIGS. 2, 3, 4, on the hot sides of the semiconductor branches there are grooves 8, these conductors have sections 9 located inside these grooves, and the hot sides of the semiconductor branches and sections 9 of the conductors located inside these grooves 8 and covered with an electrically conductive layer 10, which partially fills the grooves 8 and electrically connects the semiconductor branches 1 with the specified conductors 7.

В конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, показанном на Фиг.4, электропроводящий слой 10 выполнен в виде многослойного гальванического покрытия, содержащего антидиффузионные и металлические слои 11, 12, 13 а также защитный металлический слой 14.In specific cases, the execution of the thermoelectric module shown in Figure 4, the conductive layer 10 is made in the form of a multilayer galvanic coating containing anti-diffusion and metal layers 11, 12, 13 as well as a protective metal layer 14.

Средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей в конкретных вариантах выполнения полезной модели могут быть выполнены аналогично средствам электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей. В других выриантах конкретного выполнения полезной модели, как это показано на Фиг.5, средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей содержат коммутационную металлическую пластину 15 и многослойное электропроводящее покрытие 16, состоящее из антидиффузионных слоев 17, 18 и металлических слоев 19, 20. Покрытие 16 и коммутационная пластина 15 соединены слоем мягкого припоя 21. В этом слое помещаются проводники 22. Проводники 22 выполнены из металла, например меди. Их толщина при пайке припоем 21 задает толщину слоя припоя 21. В зависимости от конкретного выполнения толщина проводников 22 выбирается, например, в пределах 50-200 мкм.Means of electrical switching of the cold sides of semiconductor branches in specific embodiments of the utility model can be performed similarly to means of electrical switching of the hot sides of semiconductor branches. In other variants of a particular embodiment of the utility model, as shown in FIG. 5, the means for electrically switching the cold sides of the semiconductor branches comprise a switching metal plate 15 and a multilayer electrically conductive coating 16 consisting of anti-diffusion layers 17, 18 and metal layers 19, 20. Coating 16 and the patch plate 15 are connected by a layer of soft solder 21. In this layer, conductors 22 are placed. The conductors 22 are made of metal, such as copper. Their thickness when soldering solder 21 sets the thickness of the layer of solder 21. Depending on the particular implementation, the thickness of the conductors 22 is selected, for example, in the range of 50-200 μm.

В конкретных случаях выполнения полезной модели, показанных на Фиг.1 и 5, модуль содержит по крайней мере одну керамическую пластину 23. Керамическая пластина 23 имеет по крайней мере одну металлизированую площадку 24, средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей содержат указанные металлизированные площадки 24 и имеют слои припоя 21, 25 электрически соединяющие металлизированные площадки 24 и холодные стороны 3 полупроводниковых ветвей 1.In specific cases, the implementation of the utility model shown in figures 1 and 5, the module contains at least one ceramic plate 23. The ceramic plate 23 has at least one metallized area 24, means for electrical switching of the cold sides of the semiconductor branches contain the specified metallized areas 24 and have solder layers 21, 25 electrically connecting metallized sites 24 and cold sides 3 of the semiconductor branches 1.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит множество указанных керамических пластин, на каждой пластине имеется единственная металлизированная площадка 24, соединенная слоями припоя 21, 25 с двумя полупроводниковыми ветвями.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, it contains many of these ceramic plates, each plate has a single metallized area 24, connected by layers of solder 21, 25 with two semiconductor branches.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, он содержит керамические пластины 23, расположенные на теплопроводящей пластине 26, выполненной из металла или также из керамики с высокой теплопроводностью, как это показано на Фиг.1.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, it contains ceramic plates 23 located on a heat-conducting plate 26 made of metal or also of ceramic with high thermal conductivity, as shown in Fig.1.

Полупроводниковые ветви 1 в конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, выполнены составными и имеют по крайней мере две части 27 и 28 из разных материалов, как это показано на Фиг.6. Смежные части 27 и 28 составной полупроводниковой ветви 1 находятся в электрическом контакте и имеют пазы 29, в которых находятся металлические проводники 30, электрический контакт смежных частей составной полупроводниковой ветви выполнен в виде многослойного гальванического покрытия 31, содержащего антидиффузионные, электропроводящие слои и слой припоя. Многослойное покрытие 31 выполняется аналогично описанному выше многослойному покрытию 10.The semiconductor branches 1 in specific cases of the thermoelectric module, according to the utility model, are made composite and have at least two parts 27 and 28 of different materials, as shown in Fig.6. Adjacent parts 27 and 28 of the composite semiconductor branch 1 are in electrical contact and have grooves 29 in which metal conductors 30 are located, the electrical contact of the adjacent parts of the composite semiconductor branch is made in the form of a multilayer galvanic coating 31 containing anti-diffusion, electrically conductive layers and a solder layer. The multilayer coating 31 is performed similarly to the multilayer coating 10 described above.

В конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, (Фиг.7) указанные выше электрические проводники средств коммутации 4, 5 полупроводниковых ветвей 1 содержат две группы электрических проводников 7 и 22,In specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, (Fig.7) the above electrical conductors of the switching means 4, 5 of the semiconductor branches 1 contain two groups of electrical conductors 7 and 22,

электрические проводники 7 первой группы соединяют полупроводниковые ветви последовательно в цепочки 32 (Фиг.8),electrical conductors 7 of the first group connect the semiconductor branches in series in a chain 32 (Fig.8),

каждая последовательная цепочка ветвей 32 соединена с внешними электрическими выводами модуля 6,each serial chain of branches 32 is connected to external electrical terminals of module 6,

электрические проводники 22 второй группы (Фиг.7) осуществляют параллельные электрические соединения между ветвями 1 последовательных цепочек 32 (Фиг.8);electrical conductors 22 of the second group (Fig.7) make parallel electrical connections between the branches 1 of sequential chains 32 (Fig.8);

электрические проводники 7 первой группы расположены вдоль одного направления А в пространстве, а электрические проводники 22 второй группы расположены вдоль другого направления в пространстве, два этих направления А и В не параллельны.electrical conductors 7 of the first group are located along one direction A in space, and electrical conductors 22 of the second group are located along another direction in space, these two directions A and B are not parallel.

Две группы электрических проводников 7 и 22 позволяют осуществлять разнообразные электрические схемы соединения в термоэлектрическом модуле, показанные на Фиг.9-13, в том числе менять рабочий ток и напряжение модуля, получать, не изменяя однотипную технологию изготовления модуля, серийные ряды модулей с необходимыми потребителю электрическими и надежностными параметрами. Из Фиг.12-13 видно, что имеется возможность осуществлять электрические схемы со многими независимыми и гальванически развязанными группами последовательных цепочек 32.Two groups of electrical conductors 7 and 22 allow for a variety of electrical wiring diagrams in a thermoelectric module, shown in Fig.9-13, including changing the operating current and voltage of the module, to receive, without changing the same manufacturing technology of the module, serial rows of modules with the consumer electrical and reliability parameters. 12-13 shows that it is possible to carry out electrical circuits with many independent and galvanically isolated groups of consecutive chains 32.

В варианте конкретного выполнения модуля, показанном на Фиг.14, он содержит не менее двух идентичных блоков 33, каждый из блоков 33 содержит полупроводниковые ветви 1, средства электрической коммутации горячих сторон полупроводниковых ветвей 4 и средства электрической коммутации холодных сторон полупроводниковых ветвей 5.In the particular embodiment of the module shown in FIG. 14, it contains at least two identical blocks 33, each of the blocks 33 contains semiconductor branches 1, means for electrical switching of the hot sides of the semiconductor branches 4, and means for switching the cold sides of the semiconductor branches 5.

В варианте конкретного выполнения модуля, показанном на Фиг.15-19, он содержит герметичный корпус 34, имеющий по крайней мере два герметично соединенных элемента корпуса 35, 36, а именно крышку 35 и дно 36. В некоторых конкретных вариантах выполнения полезной модели крышка 35 и дно 36 корпуса 34 могут иметь одинаковые форму и размеры, в других вариантах могут быть разной формы и размеров, как например, показано на Фиг.15 -19, где высота крышки 35 больше высоты дна 36. Крышка 35 и дно 36 корпуса 34 могут быть выполнены из металла, например из нержавеющей стали толщиной 50-150 мкм. Крышка 35 и дно 36 корпуса 34 герметично соединены между собой демпфером термических деформаций 37.In the specific embodiment of the module shown in FIGS. 15-19, it comprises a sealed housing 34 having at least two hermetically connected housing elements 35, 36, namely a cover 35 and a bottom 36. In some specific embodiments of the utility model, the cover 35 and the bottom 36 of the housing 34 may have the same shape and dimensions, in other embodiments may be of different shapes and sizes, such as shown in Fig-19, where the height of the cover 35 is greater than the height of the bottom 36. The cover 35 and the bottom 36 of the housing 34 may be made of metal, for example stainless steel another 50-150 microns. The cover 35 and the bottom 36 of the housing 34 are hermetically connected to each other by a thermal deformation damper 37.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, демпфер термических деформаций 37 выполнен в виде V-образного ребра 38, как это более подробно показано на Фиг.17. Как видно из Фиг.18, ребро 38 образовано краями 39, 40 крышки 35 и дна 36. Ребро 38 содержит герметичный шов 41, выполненный, например, путем сварки.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, the damper thermal deformation 37 is made in the form of a V-shaped rib 38, as shown in more detail in Fig.17. As can be seen from Fig. 18, the rib 38 is formed by the edges 39, 40 of the cover 35 and the bottom 36. The rib 38 contains a sealed seam 41, made, for example, by welding.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, демпфер термических деформаций может быть выполнен в виде сильфона.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, the thermal deformation damper can be made in the form of a bellows.

В некоторых конкретных случаях выполнения термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, внутри герметичного корпуса 34 имеется инертный газ и частицы твердого теплоизоляционного материала 42.In some specific cases, the implementation of the thermoelectric module, according to the utility model, inside the sealed enclosure 34 there is an inert gas and particles of solid thermal insulation material 42.

В варианте конкретного выполнения модуля, показанном на Фиг.15 -17, две герметично соединенные части 35, 36 корпуса 34 имеют форму срезанных четырехгранных пирамид. Высота пирамиды крышки 35 больше высоты пирамиды дна 36. При этом внешние электрические выводы 43 размещены на боковой грани пирамиды крышки 35, имеющей большую высоту, чем дно 36. Это позволяет разместить внешние электрические выводы 43 в пределах габаритных размеров модуля, как показано на Фиг.17.In the specific embodiment of the module shown in FIGS. 15-17, the two hermetically connected parts 35, 36 of the housing 34 are in the form of cut pyramid pyramids. The height of the pyramid of the lid 35 is greater than the height of the pyramid of the bottom 36. At the same time, the external electrical leads 43 are placed on the side of the pyramid of the lid 35, having a greater height than the bottom 36. This allows the external electrical leads 43 to be placed within the overall dimensions of the module, as shown in FIG. 17.

В другом варианте выполнения полезной модели, фрагмент которого показано на Фиг.19, внешние электрические выводы 43 модуля выведены через герметичный шов 41 V-образного ребра 38.In another embodiment of the utility model, a fragment of which is shown in Fig. 19, the external electrical terminals 43 of the module are brought out through the sealed seam 41 of the V-shaped rib 38.

Физические принципы работы предлагаемой полезной модели такие же, как и принципы работы известных термоэлектрических модулей в режиме генерирования электрической энергии, в режимах термоэлектрического охлаждения и нагрева. При наличии разности температур горячей 2 и холодной 3 сторон полупроводниковых ветвей 1 от внешних источников тепла и холода модуль генерирует ЭДС за счет известного эффекта Зеебека, а при пропускании через модуль постоянного электрического тока он работает как тепловой насос Пельтье, отбирая тепло от холодной стороны 3 и отдавая его горячей стороне 2.The physical principles of the proposed utility model are the same as the principles of operation of known thermoelectric modules in the mode of generating electric energy, in the modes of thermoelectric cooling and heating. If there is a temperature difference between the hot 2 and cold 3 sides of the semiconductor branches 1 from external sources of heat and cold, the module generates an EMF due to the well-known Seebeck effect, and when passing a constant electric current through the module, it works as a Peltier heat pump, taking heat from the cold side 3 and giving it to the hot side 2.

Изложенные выше отличительные особенности модуля повышают при его работе надежность, технологичность изготовления и удобство использования:The above distinguishing features of the module during its operation increase reliability, manufacturability and ease of use:

1) В модуле сведены к минимуму возможности для возникновения механических усилий при его работе:1) The module minimizes the possibility of mechanical forces during its operation:

а) Проводники 7 демпфируют механические напряжения на горячей стороне 2. При этом они демпфируют их не только вдоль направления А, но и во всей плоскости горячей стороны за счет своей гибкости.a) The conductors 7 dampen mechanical stresses on the hot side 2. Moreover, they dampen them not only along direction A, but also in the entire plane of the hot side due to their flexibility.

в) На холодной стороне механические напряжения демпфируются слоем мягкого припоя 20, толщина которого выбирается достаточной для такого демпфирования.c) On the cold side, mechanical stresses are damped by a layer of soft solder 20, the thickness of which is selected sufficient for such damping.

2) Параллельные соединения при помощи проводников 20 на холодной стороне 3 и на внешних выводах 6 существенно повышают надежность при задаваемых потребителем критериях отказов. Обычно такие критерии формулируют как некоторое допустимое снижение параметров модуля за время работы или эксплуатации. Известно, что в схемах с параллельными соединениями даже полный отказ некоторых ветвей 1 не приводит к отказу всего модуля, а лишь снижает эти параметры. Параллельные соединения при помощи проводников 20 на холодной стороне 3 и на внешних выводах 6 дают возможность реализации таких схем, как это описано выше и показано на чертежах Фиг.9-11. В отличие от известных термоэлектрических модулей настоящая полезная модель позволяет в таких схемах осуществлять параллельное соединение на уровне ветвей. Известные термоэлектрические модули как правило имеют лишь 2 внешних вывода, поэтому для повышения надежности соединяют параллельно отдельные модули, внутри которых нет параллельных соединений. Настоящая полезная модель позволяет осуществлять параллельное соединение на многих уровнях - на уровне самих модулей, на уровне блоков внутри модуля, на уровне цепочек внутри блоков, на уровне ветвей внутри цепочек. При этом чем на более низком уровне выполнены параллельные соединения, тем большее увеличение надежности они обеспечивают.2) Parallel connections using conductors 20 on the cold side 3 and on the external terminals 6 significantly increase the reliability under failure criteria set by the consumer. Typically, such criteria are formulated as some allowable decrease in module parameters during operation or operation. It is known that in circuits with parallel connections, even a complete failure of some branches 1 does not lead to a failure of the entire module, but only reduces these parameters. Parallel connections using conductors 20 on the cold side 3 and on the external terminals 6 enable the implementation of such circuits as described above and shown in the drawings of Figs. 9-11. In contrast to the well-known thermoelectric modules, the present utility model allows in such circuits to carry out parallel connection at the branch level. Known thermoelectric modules usually have only 2 external terminals, therefore, to increase reliability, separate modules are connected in parallel, inside which there are no parallel connections. This useful model allows parallel connection at many levels - at the level of the modules themselves, at the level of blocks inside the module, at the level of chains inside blocks, at the level of branches inside chains. Moreover, the lower the parallel connections are made, the greater the reliability increase they provide.

Результаты испытаний термоэлектрического модуля, изготовленного согласно полезной модели, в режиме генератора таковы:The test results of the thermoelectric module manufactured according to the utility model in the generator mode are as follows:

Температура горячей стороны при продолжительной работе - 250°С и ниже.The temperature of the hot side during continuous operation is 250 ° C and below.

Допустимый перегрев горячей стороны 300°С - 350°С.Permissible overheating of the hot side 300 ° C - 350 ° C.

Температура холодной стороны при продолжительной работе - 80°С и ниже.The temperature of the cold side during continuous operation is 80 ° C and below.

Допустимый перегрев горячей стороны 120°С.Permissible overheating of the hot side is 120 ° C.

Число циклов включено- выключено без ухудшения параметров - не менее 20000.The number of cycles on / off without deterioration of the parameters - not less than 20,000.

Повышение срока службы в сравнении с известными модулями - от 80 до 1000 раз в зависимости от числа примененных параллельных соединений.Increased service life compared to known modules - from 80 to 1000 times, depending on the number of parallel connections used.

Claims

1. A thermoelectric module with increased reliability, containing n- and p-type semiconductor branches, each branch has two opposite sides - the hot side and the cold side, with different temperatures of the hot and cold sides during operation of the module, means for electrical switching of the hot sides of the semiconductor branches , means for electrical switching of the cold sides of semiconductor branches, external electrical terminals for connecting the module to an external electrical circuit, characterized in that The electrical switching of the hot sides of the semiconductor branches contains many electrical conductors, there are grooves on the hot sides of the semiconductor branches, these conductors have sections located inside these grooves, and the hot sides of the semiconductor branches and sections of conductors located inside these grooves are covered with an electrically conductive layer that partially fills grooves and electrically connects the semiconductor branches to said conductors.

2. The thermoelectric module according to claim 1, characterized in that the means of electrical switching of the cold sides of the semiconductor branches contain many electrical conductors, on the cold sides of the semiconductor branches there are grooves, these conductors have sections located inside these grooves, and the cold sides of the semiconductor branches and sections conductors located inside these grooves are covered with an electrically conductive layer that partially fills the grooves and electrically connects the semiconductor branches to indicated conductors.

3. The thermoelectric module according to claim 1, characterized in that the electrically conductive layer is made in the form of a multilayer galvanic coating containing anti-diffusion and metal layers.

4. The thermoelectric module according to claim 1, characterized in that the module contains at least one ceramic plate, the ceramic plate has at least one metallized area, means for electrical switching of the cold sides of the semiconductor branches contain said metallized areas and have solder layers electrically connecting metallized pads and cold sides of semiconductor branches.

5. The thermoelectric module according to claim 4, characterized in that it contains many of these ceramic plates, each plate has a single metallized pad connected by a solder layer to two semiconductor branches.

6. The thermoelectric module according to claim 5, characterized in that the ceramic plates are located on a heat-conducting plate made of metal or ceramic with high thermal conductivity.

7. The thermoelectric module according to claim 1, characterized in that the semiconductor branches are made integral and have at least two parts of different materials, adjacent parts of the composite semiconductor branches are in electrical contact and have grooves in which metal conductors are located, electrical contact of adjacent parts of a composite semiconductor branch is made in the form of a multilayer galvanic coating containing anti-diffusion, electrically conductive layers and a solder layer.

8. The thermoelectric module according to claim 1, characterized in that said electrical conductors of semiconductor branch switching means comprise two groups of electrical conductors:

electrical conductors of the first group connect the semiconductor branches in series in chains,

each serial chain of branches is connected to the external electrical terminals of the module,

electrical conductors of the second group carry out parallel electrical connections between the branches of sequential chains;

electrical conductors of the first group are located along one direction in space, and electrical conductors of the second group are located along another direction in space, these two directions are not parallel.

9. The thermoelectric module according to claim 1, characterized in that it contains at least two identical blocks, each of the blocks contains semiconductor branches, means for electrical switching of the hot sides of the semiconductor branches and means for electric switching of the cold sides of the semiconductor branches.

10. The thermoelectric module according to claim 1, characterized in that it contains a sealed enclosure having at least two hermetically connected housing elements, the sealed enclosure contains a thermal deformation damper made of an elastic material and connecting the elements of the sealed enclosure.

11. The thermoelectric module of claim 10, characterized in that the thermal deformation damper is made in the form of a V-shaped rib having a sealed seam.

12. The thermoelectric module of claim 10, characterized in that the damper thermal deformation is made in the form of a bellows.

13. The thermoelectric module of claim 10, characterized in that there is an inert gas and particles of solid thermal insulation material inside the sealed enclosure.

14. The thermoelectric module according to claim 10, characterized in that the two hermetically connected parts of the body have the shape of a cut tetrahedral pyramid, these pyramids have different heights, and external electrical leads are placed on the side of the pyramid of that part of the body that is higher.

15. The thermoelectric module according to claim 11, characterized in that the external electrical terminals of the module are brought out through the hermetic seam of the V-shaped rib.