WO2024010483A1 - Твердотельное охлаждающее устройство - Google Patents

Твердотельное охлаждающее устройство Download PDF

Info

Publication number
WO2024010483A1
WO2024010483A1 PCT/RU2022/000217 RU2022000217W WO2024010483A1 WO 2024010483 A1 WO2024010483 A1 WO 2024010483A1 RU 2022000217 W RU2022000217 W RU 2022000217W WO 2024010483 A1 WO2024010483 A1 WO 2024010483A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor
semiconductor element
terminal
unit
work function
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/000217
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ
Александр Викторович ГЛУХОВ
Михаил Владимирович ДОРОХИН
Ахмад Зайниддинович РАХМАТОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения"
Priority to PCT/RU2022/000217 priority Critical patent/WO2024010483A1/ru
Publication of WO2024010483A1 publication Critical patent/WO2024010483A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect

Definitions

  • the invention relates to solid-state cooling systems, in particular to thermoelectric refrigeration devices intended for cooling objects.
  • the invention can be used in the development of coolers for electronic components, various types of refrigerators, and so on, and can be used both in terrestrial conditions and in outer space with high efficiency.
  • Thermoelectric refrigerators based on the Peltier effect used in the state of the art are absolutely safe from an environmental point of view, do not have wear and tear elements, and therefore are silent in operation, characterized by the absence of vibrations, do not require standard cleaning devices for working fluids, and are capable of operating steadily for a long time.
  • Thermoelectric energy converters have other advantages compared to traditional refrigeration units: the possibility of not only cooling, but also heating; exceptional reliability of components that produce cold; possibility of very fast cooling; high accuracy of temperature control and the ability to thermostat by changing the supply current; independence of the parameters of thermoelectric modules from gravity and orientation in space, as well as low sensitivity to high mechanical loads; no need for maintenance. All of the listed advantages of thermoelectric refrigeration machines sometimes leave developers of cooling systems with no choice for a wide variety of applications: in optical-electronic systems, in computers, in medicine, in household appliances, in transport and in other areas.
  • the integrated circuit is attached to a substrate, and an electrothermal cooling (TEC) device is attached to the exposed surface of the integrated circuit. Additionally, a heat sink is provided which is attached to the hot side of the TEC device. The thermocouple terminals are connected to the feedback control circuit.
  • TEC electrothermal cooling
  • This application is devoted to solving all these problems.
  • the technical result of the invention is to increase the productivity and efficiency of the TOU.
  • the TOU includes a preparation unit located in series and electrically connected: a preparation block made in the form of a semiconductor element, on one surface of which there is a substrate, with a contact applied to its outer surface with the first terminal for inclusion in the electrical circuit, and on the other surface of the semiconductor element a contact is made with the second terminal for inclusion in an electrical circuit, wherein the semiconductor element is configured to reduce the energy of electrons in the electric current supplied to the second terminal through a wire from the power source, and the first terminal is connected via a wire to the second terminal of the cooling unit, the cooling unit is made in the form of at least at least one semiconductor element located on the substrate, and contacts with first and second terminals located on the outer surfaces of the substrate and the semiconductor element, respectively, wherein one of the outer surfaces is directly in contact with the object requiring cooling, the first terminal being connected via a wire to the second terminal of the dissipation unit, a dissipation unit located at a distance from the cooling unit and made in the form of
  • the first terminal of the first semiconductor element of the cooling block is connected through a wire to the second terminal of the first semiconductor element of the dissipation block, the first terminal of which is connected through a wire to the second terminal of the next semiconductor element a cooling unit, the first output of which is connected through a wire to the second output of the first semiconductor element of the dissipation unit or to the power supply.
  • the semiconductor element of the cooling unit is made in the form of: n-type conductivity semiconductor; semiconductor of variable conductivity from p-type to n-type; a semiconductor with a graded-gap structure that changes from a semiconductor with a higher work function to a semiconductor with a lower work function, and has p-type conductivity; semiconductor with a varigap structure that varies from a semiconductor with a higher work function to semiconductor with a lower work function, and is a pn structure with smooth doping from p type to n type in the direction of current flow.
  • the semiconductor element of the scattering or preparation unit is made in the form of: a semiconductor with p-type conductivity; two semiconductors, one of which is an n-type semiconductor and the other a p-type conductor; semiconductor of variable conductivity: from n-type conductivity to p-type conductivity; a semiconductor with a varigap structure that changes from a semiconductor with a lower work function to a semiconductor with a higher work function and has n-type conductivity;
  • a semiconductor with a graded-gap structure, which changes from a semiconductor with a lower work function to a semiconductor with a higher work function, can be a p-n structure with smooth doping from n type to p type in the direction of current flow.
  • a radiator is additionally used to remove heat from the dissipation or preparation unit.
  • a semiconductor element for converting the energy of electrons into quanta is installed and electrically connected to the specified block.
  • a semiconductor element for converting the energy of electrons into quanta can be installed in front of the preparation block and electrically connected to the specified block.
  • the declared technical result is achieved due to the design features of the developed device, in particular, due to the fact that the semiconductor component of the TOU, responsible for cooling, is spaced with the semiconductor component of the TOU, responsible for heat dissipation.
  • the cooling semiconductor component of the TOU is located directly on the device component that needs cooling, either in the heat exchanger itself, or as part of the battery.
  • the heat dissipating semiconductor component of the TOU is located outside the cooled device. For example, in a place convenient for heat dissipation.
  • Fig. 1 Schematic representation of the electrical circuit of the TOU. Fig. 2.
  • Design options for a dissipation block or preparation block a) an element of these blocks is made of a p-type semiconductor; b) the element of these blocks is made of two semiconductors, the first of which, in the direction of electron movement, is a semiconductor with n-type conductivity, and the other is a conductor with p-type conductivity; c) the element of the specified blocks is made of a semiconductor of variable conductivity (n-type conductivity to p-type conductivity in the direction of electron movement; d) the element of the specified blocks is made of a semiconductor with a graded-gap structure, which changes from a semiconductor with a lower work function to a semiconductor with a higher work function output, and has n-type conductivity; f) the element of these blocks is made of a semiconductor with a graded-gap structure, which in the direction of electron movement changes from a semiconductor with a lower work function to a
  • the present invention provides a HCU in which a cooling component in direct contact with a cooling object is spaced apart from a heat dissipation component.
  • a TOU is understood as a device that converts electrical energy into thermal energy, based on the Peltier effect and the Thomson effect.
  • This object is also called “thermoelectric cooling device”, “Peltier module”, “Peltier panel”.
  • Fig. 1 schematically shows the electrical connection diagram of the TOU.
  • the device consists of eight main elements:
  • Power supply 1 (can be combined with the standard power supply of the cooled device). Purpose - to provide the device with constant voltage.
  • Preparation block 2 electrically connected to power supply 1.
  • Preparation block 2 regardless of its design, performs the function of reducing the electron energy through the process of charge carrier recombination.
  • Heat dissipation into the surrounding space outside the cooled object or where it is convenient from the preparation unit 2 can be carried out directly or with the help of additional devices that enhance heat transfer (for example, a radiator) and radiation (for example, a semiconductor device for converting electron energy into quanta).
  • the preparation unit 2 is made in the form of a semiconductor element I containing at least one semiconductor 1.2-1.6 grown on a substrate 1.10. Moreover, on opposite sides of the semiconductor element I there are contacts 1.1, incl. ohmic with the possibility of attaching connecting wires to them for inclusion in an electrical circuit. Contacts 1.1 are equipped with leads or clamping contacts and are coated with an electrically insulating layer, for example, silicon oxide or polymers, for example, polyethylene, polypropylene, polycarbonates, capable of conducting heat.
  • an electrically insulating layer for example, silicon oxide or polymers, for example, polyethylene, polypropylene, polycarbonates, capable of conducting heat.
  • the semiconductor 1.2 of the semiconductor element I of the preparation unit 2 has p-type conductivity (hole conductivity).
  • the semiconductor element I of the preparation unit 2 contains two semiconductors 1.2, 1.3, one of which, in the direction of electron movement, is an n-type semiconductor, and the other is a p-type conductor.
  • the semiconductor 1.4 of the semiconductor element I of the preparation unit 2 is a semiconductor of variable conductivity (from electronic (from conductivity p- type) to hole (to p-type conductivity in the direction of electron motion).
  • semiconductor 1.5 of semiconductor element I of preparation unit 2 is a graded-gap structure that varies from a lower work function semiconductor to a higher work function semiconductor and has p-type conductivity.
  • semiconductor 1.6 of semiconductor element I of preparation unit 2 is a graded-gap structure that changes in the direction of electron movement from a semiconductor with a lower work function to a semiconductor with a higher work function, and is a smoothly doped structure in the direction of electron movement from n type to p type.
  • the preparation unit 2 may also be provided with a heat sink that fits closely to the semiconductor element I of the preparation unit 2 on at least one side of the semiconductor element, which ensures efficient heat transfer from the semiconductor element I to the heat sink, increasing heat dissipation on one or two sides of the semiconductor element I.
  • the area and shape of the preparation block 2 can vary widely and depends on the technical task: as the power of the device increases, the area of the preparation block 2 increases; if necessary, it is possible to change the contour of the preparation block 2 in a two-dimensional plane; if necessary, it is possible to manufacture a semiconductor part with any curved surface.
  • Cooling unit 3 is in direct contact with the object that needs cooling (computer processor, photovoltaic devices, various reactors requiring a constant temperature, etc.).
  • the main task of cooling unit 3, regardless of its design, is to cool the object by removing heat and converting thermal energy into the energy of electrons that make up the electric current. This occurs due to the conversion of thermal vibrations of the semiconductor crystal lattice into electron energy through the formation of electron-hole pairs.
  • the cooling unit 3 is made in the form of a semiconductor element III containing a semiconductor grown on the substrate 1.10.
  • semiconductor of semiconductor element III the following is used: semiconductor 1.3 with n-type conductivity; two semiconductors 1.2, 1.3 the first of which is the direction of electron movement is a semiconductor with p-type conductivity, and the other is a semiconductor with n-type conductivity; semiconductor 1.8 is a graded-gap structure that changes in the direction of electron movement from a semiconductor with a higher work function to a semiconductor with a lower work function and has p-type conductivity; semiconductor 1.9 is a graded-gap structure that changes in the direction of electron movement from a semiconductor with a higher work function to a semiconductor with a lower work function and has n-type conductivity; Semiconductor 1.11 is a graded-gap structure that changes in the direction of electron movement from a semiconductor with a higher work function to a semiconductor with a lower work function, and is a smoothly doped structure in the direction of electron movement
  • contact 1.1 is located (the substrate can act as a contact, and in the case of manufacturing a semiconductor structure from silicon - germanium, it is possible to grow on a prepared metal base with an intermediate layer of metal silicide base of these structures, which can also form solid solutions), and on the other side of the semiconductor element there is an ohmic contact 1.1.
  • the entire block is covered with an electrically insulating layer capable of conducting heat, for example, silicon oxide or polymers, for example: polyethylene, polypropylene, polycarbonates.
  • cooling unit 3 On top of the cooling unit 3 (the side not in contact with the object to be cooled) there may be a layer of thermal insulation, such as foam glass, etc.
  • the area and shape of the cooling block 3 can vary within wide limits and depends on the technical task: as the power of the device increases, the area of the cooling block 3 increases; if necessary, it is possible to change the contour of the block in a two-dimensional plane; if necessary, it is possible to manufacture a semiconductor part with any curved surface.
  • the heat dissipation unit 4 dissipates the heat received from the cooling unit 3 into the environment.
  • the purpose of the heat dissipation unit 4 is to convert the excess energy of electrons that make up the electric current into thermal energy and (or into photon energy) and its dissipation into the environment outside the cooled device
  • Heat dissipation blocks 4 regardless of their design, perform the function of reducing the electron energy through the process of recombination of charge carriers and dissipating the released energy in the form of heat (through heat exchange and or the release of photons) into the surrounding space.
  • the heat dissipation unit 4 is made similar to the preparation unit 2.
  • the semiconductor 1.5 of the semiconductor element II of the heat dissipation unit 4 is a graded-gap structure that varies from a semiconductor with a lower work function to a semiconductor with a higher work function and has p-type conductivity.
  • the semiconductor 1.6 of the semiconductor element II of the heat dissipation unit 4 is a graded-gap structure that changes in the direction of electron movement from a semiconductor with a lower work function to a semiconductor with a higher work function, and is a structure with smooth doping in the direction of electron movement from n type to p type.
  • Heat dissipation occurs through several physical processes: radiation and convection.
  • the area and shape of the heat dissipation unit 4 can vary within wide limits and depends on the technical task.
  • the area and shape of the heat dissipation block 4 can vary within wide limits and depends on the technical task: as the power of the device increases, the area of the heat dissipation block 4 increases; if necessary, it is possible to change the contour of the block in a two-dimensional plane; if necessary, it is possible to manufacture a semiconductor part with any curved surface.
  • the TOU can be equipped with a cooling intensity control unit 5.
  • Control unit 5 receives power from power supply 1 and is electrically connected to cooling unit 3.
  • the semiconductor element for converting the energy of electrons into quanta is a device for dissipating energy into the environment in the form of radiation (in the case of impossible or insufficient dissipation of flows during heat transfer and convection). If more than one semiconductor element is used to convert the energy of electrons into quanta, they are connected in parallel. The number, power and design of semiconductor elements for converting electron energy into quanta can vary widely and depend on the technical task. As a semiconductor element for converting the energy of electrons into quanta, known semiconductor devices are used that convert the energy of electrons into photons, incl. thermoelectric LEDs.
  • Conductor 7 connects the preparation block 2, cooling block 3, or the dissipation block 4 and the cooling block 3.
  • the conductor material is selected in such a way as to conduct current with electrons of certain energies, and also not form a high potential barrier with the output contacts of the dissipation block and the input contacts of the cooling block .
  • a nickel conductor with a work function of 4.91-5.01 eV electrosprays entering the conductor from a scattering or preparation unit and having an energy equal to or in the range +- kT (-0.025 eV) of the electron energy at the Fermi level of nickel can be transferred along a conductor without thermalization over a considerable distance.
  • Gold or platinum is also used as conductor 7.
  • Conductor 8 connects the cooling unit 3 and the dissipation unit 4, as well as the power unit 1 and the preparation unit 2.
  • the conductor material is selected in such a way as to conduct current with electrons of certain energies, and also not form a high potential barrier with the output contacts of the cooling unit and the input contacts dispersion block.
  • a magnesium conductor with a work function of 3.67 eV Alignment with a work function of 4.2 eV, copper with a work function of 4.4 eV
  • electrons that entered the conductor from the cooling unit and have an energy equal to or in the range of +- kT (-0.025 eV) from electron energy at the Fermi level of magnesium can be transmitted through a conductor without thermalization over a considerable distance.
  • Aluminum and copper are also used as conductor 8.
  • electric current acts as a coolant, therefore the conductor material for transporting electric current in different sections of the TOU circuit is selected taking into account the average energy of the electrons of the current passing through the conductor.
  • the semiconductor element III of the cooling block 3 electrons jump (if the cooling block 3 is made of a homogeneous semiconductor with uniform doping, or from a semiconductor structure having a p-n junction) or smoothly (if the cooling unit 3 is made of a semiconductor with a graded-gap structure) under the influence of an external field and phonon absorption (generation of electron-hole pairs as the main physical process and the Thomson effect (in in the case of graded-gap structures) as a secondary process) enters the region of the semiconductor with a high Fermi level, and due to the absorption of phonons, the semiconductor element III of the cooling unit 3 is cooled, which is installed closely to the object in need of cooling (for example, a computer processor) and cools specified object.
  • the control unit measures the temperature (of the cooled object, cooling element, fuel element) and, if the parameters deviate from the specified ones, changes the power supply characteristics to return the temperature parameters to the specified ones.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)

Abstract

Изобретение относится к термоэлектрическим холодильным устройствам и может быть использовано для охладителей электронных компонентов и холодильников. Твердотельное охлаждающее устройство включает расположенные последовательно и электрически соединенные: блок подготовки, выполненный в виде полупроводникового элемента с возможностью уменьшения энергии электронов в электрическом токе, поступающем на второй вывод через провод от источника питания, а первый вывод подключен через провод ко второму выводу блока охлаждения, и блок охлаждения, выполненный в виде полупроводникового элемента, расположенного на подложке. Контакты с первым и вторым выводами расположены на наружных поверхностях подложки и полупроводникового элемента, соответственно. Одна из наружных поверхностей находится непосредственно в контакте с объектом, требуемым охлаждения. Первый вывод подключен через провод ко второму выводу блока рассеяния. Также имеется блок рассеяния, находящийся на расстоянии от блока охлаждения, который выполнен в виде полупроводникового элемента.

Description

ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к твердотельным охлаждающим системам, в частности, к термоэлектрическим холодильным устройствам, предназначенным для охлаждения объектов. Изобретение может быть использовано при разработке охладителей электронных компонентов, различного рода холодильников и так далее, и использоваться как в земных условиях, так и в космическом пространстве с высокой эффективностью.
Предпосылки создания изобретения
Применяемые в уровне техники термоэлектрические холодильники на эффекте Пельтье абсолютно безопасны с экологической точки зрения, не имеют изнашивающихся и трущихся элементов, а значит бесшумны в работе, характеризуются отсутствием вибраций, не требуют штатных устройств очистки рабочих тел, способны устойчиво работать длительное время. Термоэлектрические преобразователи энергии имеют и другие преимущества по сравнению с традиционными холодильными агрегатами: возможность не только охлаждения, но и нагрева; исключительная надежность компонентов, вырабатывающих холод; возможность очень быстрого охлаждения; высокая точность регулировки температуры и возможность термостатирования путем изменения тока питания; независимость параметров термоэлектрических модулей от силы тяжести и ориентации в пространстве, а также малая чувствительность к высоким механическим нагрузкам; отсутствие необходимости в техническом обслуживании. Все перечисленные преимущества термоэлектрических холодильных машин порой не оставляют выбора разработчикам систем охлаждения для самых различных областей применения: в оптико-электронных системах, в ЭВМ, в медицине, в бытовой технике, на транспорте и в других областях.
Например, известно термоэлектрическое холодильное устройство, содержащее термоэлектрическую батарею, холодные спаи которой подключены к термостатируемому объекту через аккумулятор холода (RU232951 С2). Теплота, выделяющаяся на горячих спаях при работе термоэлектрической батареи, рассеивается в окружающее пространство радиатором, обдуваемым потоком воздуха от вентилятора. Патент США US 6116040 раскрывает устройство для охлаждения электронных компонентов, связанных с холодильным компрессором. При помощи привода компрессора температура мощных электронных устройств поддерживается в желаемом температурном диапазоне. Патент US 5569650 относится к охлаждающему устройству интегральной схемы и более конкретно к устройству, которое обеспечивает активное охлаждение, чтобы уменьшить температурные колебания интегральных схем. В примере осуществления изобретения интегральная схема прикреплена к подложке, и электротермическое охлаждающее устройство (ТЕС) прикреплено к открытой поверхности интегральной схемы. Дополнительно, предусмотрен теплоотвод, который прикреплен к горячей стороне ТЕС- устройства. Выводные зажимы термопары подсоединяют к цепи управления с обратной связью.
При этом все существующие устройства охлаждения имеют низкую производительность на единицу площади, низкий КПД и имеют необходимость отвода тепла от горячей стороны охлаждающего устройства. Зачастую подобные охлаждающие устройства требуют дополнительной системы для отвода и рассеивания поглощённого тепла, причем габариты подобных систем больше охлаждаемого объекта. При этом область поглощения тепла находится в непосредственной близости к области выделения тепла, что негативно отражается на потребительских характеристиках охлаждающих устройств.
Решению всех этих проблем и посвящена настоящая заявка.
Суть изобретения
Задачей заявленного изобретения является разработка твердотельного охлаждающего устройства (далее - ТОУ) с увеличенной производительностью и КПД. Дополнительно, разработанное твердотельное охлаждающее устройство должно иметь небольшие габаритные размеры и обеспечивать отведение и рассеивание тепла за пределами охлаждаемого устройства.
Техническим результатом изобретения является увеличение производительности и КПД ТОУ.
Указанный технический результат достигается за счет того, что ТОУ включает расположенные последовательно и электрически соединенные: блок подготовки, выполненный в виде полупроводникового элемента, на одной поверхности которого расположена подложка, с нанесенным на ее внешнюю поверхность контакта со первым выводом для включения в электрическую цепь, а на другой поверхности полупроводникового элемента нанесен контакт со вторым выводом для включения в электрическую цепь, причем полупроводниковый элемент выполнен с возможностью уменьшения энергии электронов в электрическом токе, поступающем на второй вывод через провод от источника питания, а первый вывод подключен через провод ко второму выводу блока охлаждения, блок охлаждения, выполненный в виде по меньшей мере одного полупроводникового элемента, расположенного на подложке, и контакты с первым и вторым выводами, расположенные на наружных поверхностях подложки и полупроводникового элемента, соответственно, причем одна из наружных поверхностей находится непосредственно в контакте с объектом, требующим охлаждения, при этом первый вывод подключен через провод ко второму выводу блока рассеяния, блок рассеяния, находящийся на расстоянии от блока охлаждения и выполненный в виде по меньшей мере одного полупроводникового элемента, на одной поверхности которого расположена подложка, с нанесенным на ее внешнюю поверхность контакта с первым выводом для включения в электрическую цепь, а на другой поверхности полупроводникового элемента нанесен контакт со вторым выводом для включения в электрическую цепь, причем второй вывод через провод соединен с первым выводом блока охлаждения, а первый вывод через провод соединен с источником питания.
В случае применения более одного полупроводникового элемента в блоке рассеивания и более одного полупроводникового элемента в блоке охлаждения, первый вывод первого полупроводникового элемента блока охлаждения через провод соединен со вторым выводом первого полупроводникового элемента блока рассеивания, первый вывод которого через провод соединен со вторым выводом следующего полупроводникового элемента блока охлаждения, первый вывод которого через провод соединен со вторым выводом первого полупроводникового элемента блока рассеивания или с блоком питания.
Полупроводниковый элемент блока охлаждения выполнен в виде: полупроводника проводимости п типа; полупроводника переменной проводимости от p-типа до n-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода, и имеет проводимость p-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода, и является р-п-структурой с плавным легированием от р типа к п типу по направлению течения тока.
Полупроводниковый элемент блока рассеяния или подготовки выполнен в виде: полупроводника с проводимостью p-типа; двух полупроводников, один из которых является полупроводником с проводимостью n-типа, а другой проводником с проводимостью p-типа; полупроводника переменной проводимости: от проводимости n-типа до проводимости p-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость п-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, может являться р-п-структурой с плавным легированием от п типа к р типу по направлению течения тока.
Для отвода тепла от блока рассеяния или подготовки дополнительно используют радиатор.
Перед блоком рассеивания тепла установлен и электрически соединен с указанным блоком полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты.
Перед блоком подготовки может быть установлен и электрически соединен с указанным блоком полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты.
Заявленный технический результат достигается за счет конструктивных особенностей разработанного устройства, в частности, за счет того, что полупроводниковый компонент ТОУ, отвечающий за охлаждение, разнесен с полупроводниковым компонентом ТОУ, отвечающим за рассеивание тепла. При этом охлаждающий полупроводниковый компонент ТОУ находится непосредственно на компоненте устройства, нуждающимся в охлаждении, или в теплообменнике самостоятельно, или в составе батареи. Рассеивающий тепло полупроводниковый компонент ТОУ находится вне охлаждаемого устройства. Например, в месте, удобном для рассеивания тепла.
Краткое описание чертежей
Цели, особенности и преимущества данного изобретения станут более очевидными после обращения к следующему описанию и приложенным чертежам, на которых изображено:
Фиг. 1. Схематическое изображение электрической схемы ТОУ. Фиг. 2. Варианты исполнения блока рассеивания или блока подготовки: а) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника p-типа; Ь) элемент указанных блоков выполнен из двух полупроводников, первый из которых по направлению движения электронов является полупроводником с проводимостью п- типа, а другой - проводником с проводимостью p-типа; с) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника переменной проводимости (проводимости п- типа до проводимости p-типа по направлению движения электронов; d) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и имеет проводимость n-типа; е) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая в направлении движения электронов меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и имеет проводимость p-типа; f) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводникас меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием по направлению движения электронов от п типа к р типу .
Фиг. 3. Варианты исполнения блока охлаждения: а) элемент указанного блока выполнен из полупроводника n-типа; Ь) элемент указанного блока выполнен из двух полупроводников, первый из которых по направлению движения электронов является полупроводником с проводимостью p-типа, а другой - проводником с проводимостью n-типа; с) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода, до с меньшей работой выхода и имеет проводимость p-типа; d) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода, до полупроводника с меньшей работой выхода и имеет проводимость n-типа; е) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода, до полупроводника с меньшей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием в направлении движения электронов от p-типа к п-типу.
1 - блок питания; 2 - блок подготовки; 3 - блок охлаждения; 4 - блок рассеивания тепла; 5 - блок управления; 6 - полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты; 7 - проводник для соединения блока рассеивания или подготовки и блока охлаждения; 8 - проводник для соединения блока охлаждения и блока рассеивания; 1.1 - омический контакт; 1.2 - полупроводник с проводимостью р-типа; 1.3 - полупроводник с проводимостью п- типа; 1.4 - полупроводника переменной проводимости (проводимости n-типа до проводимости p-типа по направлению движения электронов); 1.5 - полупроводник с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость п- типа; 1.6 - варизонная структура, которая в направлении движения электронов меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость р-типа; 1.7 - полупроводник с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием по направлению движения электронов от п типа к р типу; 1.8 - полупроводник с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с с меньшей работой выхода и имеет проводимость р-типа; 1.9 - полупроводника с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода и имеет проводимость п-типа; 1.10 - подложка; 1.11 - полупроводник с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием в направлении движения электронов от р-типа к n-типу; I - полупроводниковый элемент блока подготовки; II - полупроводниковый элемент блока рассеивания; III - полупроводниковый элемент блока охлаждения.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение предлагает ТОУ, в котором охлаждающий компонент, находящийся непосредственно в контакте с объектом охлаждения, разнесен в пространстве с компонентом рассеивания тепла.
В настоящей заявке под ТОУ понимают устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии в тепловую, основанное на эффекте Пельтье и эффекте Томсона. В научно-технической и патентной литературе нет терминологического единообразия. Этот объект называют также «термоэлектрическое охлаждающее устройство», «модуль Пельтье», «панель Пельтье».
Фиг. 1 схематически изображает электрическую схему подключения ТОУ. Устройство состоит из восьми основных элементов:
1) Блок питания 1 .
Блок питания 1 (может совмещаться с штатным блоком питания охлаждаемого устройства). Назначение - обеспечение устройства постоянным напряжением.
2) Блок подготовки 2.
Блок подготовки 2, электрически связанный с блоком питания 1. Блок подготовки 2 вне зависимости от исполнения выполняет функцию снижения энергии электрона через процесс рекомбинации носителей заряда. Рассеяние тепла в окружающее пространство вне охлаждаемого объекта или там где это удобно от блока подготовки 2 может осуществляться непосредственно или при помощи дополнительных устройств, усиливающих теплопередачу (к примеру радиатор) и излучение (к примеру полупроводниковое устройство преобразования энергии электронов в кванты).
Блок подготовки 2 выполнен в виде полупроводникового элемента I, содержащего по меньшей мере один полупроводник 1.2-1.6, выращенный на подложке 1.10. Причем на противоположных сторонах полупроводникового элемента I расположены контакты 1.1 , в т.ч. омические с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов для включения в электрическую цепь. Контакты 1.1 снабжены выводами или прижимными контактами и покрыты электроизоляционным слоем, например, оксидом кремния или полимерами, например, полиэтилен, полипропилен, поликарбонаты, способным проводить тепло.
В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.2 полупроводникового элемента I блока подготовки 2 имеет проводимость р-типа (дырочную проводимость). В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводниковый элемент I блока подготовки 2 содержит два полупроводника 1.2, 1.3, один из которых по направлению движения электронов является полупроводником с проводимостью n-типа, а другой - проводником с проводимостью p-типа. В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.4 полупроводникового элемента I блока подготовки 2 является полупроводником переменной проводимости (от электронной (от проводимости п- типа) до дырочной (до проводимости p-типа по направлению движения электронов). В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.5 полупроводникового элемента I блока подготовки 2 является варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость p-типа. В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.6 полупроводникового элемента I блока подготовки 2 является варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием по направлению движения электронов от п типа к р типу.
Блок подготовки 2 также может снабжаться радиатором, который плотно прилегает к полупроводниковому элементу I блока подготовки 2 по крайней мере с одной стороны полупроводникового элемента, что обеспечивает эффективную теплопередачи от полупроводникового элемента I к радиатору, увеличивающему рассеивание тепла на одной или двух сторонах полупроводникового элемента I. Площадь и форма блока подготовки 2 может изменятся в широких пределах и зависит от технической задачи: при увеличении мощности устройства увеличивается площадь блока подготовки 2, при необходимости возможно изменение контура блока подготовки 2 в двухмерной плоскости, при необходимости возможно изготовление полупроводниковой части с любой криволинейной поверхностью.
3) Блок охлаждения 3.
Блок охлаждения 3 находится непосредственно в контакте с объектом, нуждающимся в охлаждении (процессор компьютера, фотоэлектрические приборы, различные реакторы требующие постоянной температуры и т. д.). Основной задачей блока охлаждения 3, вне зависимости от исполнения - охлаждение объекта путем отбора тепла и преобразование тепловой энергии в энергию электронов, составляющих электрический ток. Это происходит за счет преобразование тепловых колебаний кристаллической решётки полупроводника в энергию электронов путём образования электрон-дырочных пар.
Блок охлаждения 3 выполнен в виде полупроводникового элемента III, содержащего полупроводник, выращенный на подложке 1.10. В качестве полупроводника полупроводникового элемента III используют: полупроводник 1.3 с проводимостью n-типа; два полупроводника 1.2, 1.3 первый из которых по направлению движения электронов является полупроводником с проводимостью р- типа, а другой - полупроводником с проводимостью n-типа; полупроводник 1.8 является варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода и имеет проводимость p-типа; полупроводник 1.9 является варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода и имеет проводимость n-типа; полупроводник 1.11 является варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием в направлении движения электронов от p-типа к п-типу.
Причем, с одной стороны полупроводникового элемента III блока охлаждения 3, расположен контакта 1.1 (подложка может выполнять роль контакта, при этом в случае изготовления полупроводниковой структуры из кремния - германия возможно выращивание на подготовленной металлической основе с промежуточным слоем из силицида металла основы указанных структур, которые также могут образовывать твёрдые растворы), а с другой стороны полупроводникового элемента расположен омический контакт 1.1. Весь блок покрыт электроизолирующим слоем, способным проводить тепло, например, оксидом кремния или полимерами, например: полиэтилен, полипропилен, поликарбонаты.
Поверх блока охлаждения 3 (сторона, не контактирующая с охлаждаемым объектом) может находится слой теплоизоляции, например, вспененное стекло и т. п.
Площадь и форма блока охлаждения 3 может изменятся в широких пределах и зависит от технической задачи: при увеличении мощности устройства увеличивается площадь блока охлаждения 3, при необходимости возможно изменение контура блока в двухмерной плоскости, при необходимости возможно изготовление полупроводниковой части с любой криволинейной поверхностью.
4) Блок рассеивание тепла 4.
Блок рассеивание тепла 4 осуществляет рассеивание тепла, полученного от блока охлаждения 3 в окружающую среду.
Назначение блока рассеивания тепла 4 - преобразование избыточной энергии электронов, составляющих электрический ток, в тепловую энергию и (или в энергию фотонов) и рассеивание её в окружающую среду вне охлаждаемого устройства
Блоки рассеивания тепла 4, вне зависимости от исполнения, выполняют функцию снижения энергии электрона через процесс рекомбинации носителей заряда и рассеивание выделенной энергии в виде тепла (путём теплообмена и или выделения фотонов) в окружающее пространство.
Конструктивно блок рассеивания тепла 4 выполнен аналогично блоку подготовки 2.
Блок рассеивания тепла 4 выполнен в виде полупроводникового элемента, содержащего по меньшей мере один полупроводник 1.2-1.6, выращенный на подложке 1.10. Причем на противоположных сторонах элемента расположены контакты 1.1 с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов для включения в электрическую цепь, контакты 1.1 снабжены выводами или прижимными контактами и покрыты электроизоляционным слоем, например, оксидом кремния или полимерами, например: полиэтилен, полипропилен, поликарбонаты, способным проводить тепло.
В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.2 полупроводникового элемента II блока рассеивания тепла 4 имеет проводимость р- типа (дырочную проводимость). В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводниковый элемент II блока рассеивания тепла 4 содержит два полупроводника 1.2, 1.3, один из которых по направлению движения электронов является полупроводником с проводимостью n-типа, а другой - проводником с проводимостью p-типа. В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.4 полупроводникового элемента II блока рассеивания тепла 4 является полупроводником переменной проводимости (от электронной (от проводимости n-типа) до дырочной (до проводимости p-типа по направлению движения электронов). В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.5 полупроводникового элемента II блока рассеивания тепла 4 является варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость p-типа. В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.6 полупроводникового элемента II блока рассеивания тепла 4 является варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием по направлению движения электронов от п типа к р типу.
Блок рассеивания тепла 4 также может снабжаться радиатором который плотно прилегает к полупроводниковому элементу блока рассеивания тепла 4 по крайней мере с одной стороны указанного элемента, что обеспечивает эффективную теплопередачи от полупроводникового элемента к радиатору, увеличивающему рассеивание тепла на одной или двух сторонах полупроводникового элемента.
Рассеивание тепла происходит благодаря нескольким физическим процессам: излучение и конвекция. Площадь и форма блока рассеивания тепла 4 может изменятся в широких пределах и зависит от технической задачи. Площадь и форма блока рассеивания тепла 4 может изменятся в широких пределах и зависит от технической задачи: при увеличении мощности устройства увеличивается площадь блока рассеивания тепла 4, при необходимости возможно изменение контура блока в двухмерной плоскости, при необходимости возможно изготовление полупроводниковой части с любой криволинейной поверхностью.
5) Блок управления 5.
ТОУ может быть оборудовано блоком управления 5 интенсивностью охлаждения. Блок управления 5 получает питание от блока питания 1 и электрически связан с блоком охлаждения 3.
6) Полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты.
Полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты является устройством для рассеивания энергии в окружающую среду в виде излучения (в случае невозможного или недостаточного рассеивания потоков при теплопередаче и конвекции). В случае использования более одного полупроводникового элемента преобразования энергии электронов в кванты, они подключаются параллельно. Количество, мощность и конструкция полупроводниковых элементов преобразования энергии электронов в кванты может меняться в широких пределах и зависит от технической задачи. В качестве полупроводникового элемента преобразования энергии электронов в кванты используют известные полупроводниковые устройства, преобразующие энергию электронов в фотоны, в т.ч. термоэлектрические светодиоды.
7) Проводник 7. Проводник 7 соединяет блок подготовки 2 блок охлаждения 3, либо блок рассеивания 4 и блок охлаждения 3. Материал проводника подобран таким образом, чтобы проводить ток с электронами определённых энергий, а также не образовывать высокий потенциальный барьер с контактами выхода блока рассеивания и контактами входа блока охлаждения. Например, проводник из никеля с работой выхода 4.91-5.01 эВ (, электроны, попавшие в проводник из блока рассеяния или подготовки и обладающие энергией равной или находящейся в диапазоне +- кТ (-0.025 эВ) от энергии электронов на уровне ферми никеля смогут быть переданы по проводнику без термализации на значительное расстояние. В качестве проводника 7 применяют также золото или платину.
8) Проводник 8.
Проводник 8 соединяет блок охлаждения 3 и блок рассеивания 4, а также блок питания 1 и блок подготовки 2. Материал проводника подобран таким образом, чтобы проводить ток с электронами определённых энергий, а также не образовывать высокий потенциальный барьер с контактами выхода блока охлаждения и контактами входа блока рассеивания. Например, проводник из магния с работой выхода 3.67 эВ (Алюминия с работой выхода 4.2 эВ, медь с работой выхода 4.4 эВ), электроны, попавшие в проводник из блока охлаждения и обладающие энергией равной или находящейся в диапазоне +- кТ (-0.025 эВ) от энергии электронов на уровне ферми магния смогут быть переданы по проводнику без термализации на значительное расстояние. В качестве проводника 8 применяют также алюминий и медь.
Каждый полупроводниковый элемент III блока охлаждения 3 соединен с соответствующей полупроводниковым элементом II блока рассеивания и образует с ней пару, таких пар может быть более одной.
В предлагаемом техническом решении электрический ток выступает в роли теплоносителя, поэтому материал проводника для транспортировки электрического тока на разных участках цепи ТОУ подбирается с учётом средней энергии электронов проходящего по проводнику тока.
В предлагаемом техническом решении для эффективного рассеивания тепла в условиях космического пространства используются полупроводниковые структуры, преобразующие энергию электронов в световое излучение (светодиоды и т. д.).
В предлагаемом техническом решении наряду с традиционными термоэлектрическими материалами для охлаждения (теллурид висмута) возможно использование варизонных полупроводниковых структур в том числе с переменным легированием. Для блока охлаждения, в качестве полупроводника применяют, например, ln(x)GaAs или Ge(x)Si. Для блока рассеяния применяют те же материалы с изменением направления движения электронов (изменение полярности приложенного напряжения).
Варизонные полупроводники выполнены в виде пластин. Варизонные полупроводники могут быть произведены методом жидкофазной эпитаксии, газофазной ионно-пучковой эпитаксии, диффузии или путём напыления германия и кремния на подложку из алюминия или никеля.
Вместе с тем в качестве подложки могут быть использованы другие материалы, которые соответствуют свойствам материалов варизонных полупроводников.
Контакты представляют собой неразъёмно соединенные с внешними поверхностями полупроводникового блока горизонтально ориентированные пластины. Для разных полупроводников в качестве контактов разные материалы, в частности различные металлы или их сплавы, которые обладает высокой теплопроводностью, химической стойкостью и устойчивостью к действию высокой температуры. Контакты могут быть нанесены послойно.
Заявленное устройство работает следующим образом. Электроны, составляющие электрический ток, после из блока питания 1 по проводнику 8 из магния поступают на полупроводниковый элемент блока подготовки 2. Электроны в проводнике 8, имеют среднюю энергию равную уровню ферми для материала проводника в диапазоне +- кТ (температура Т отличается от температуры абсолютного нуля, Плотность заполнения энергетических уровней электронами зависит от температуры вещества. При Т=0°К заполнены будут уровни с самой низкой энергией. При повышении температуры часть электронов займет более высокий энергетический уровень (начнет подобно молекулам газа хаотически перемещаться по металлу). Плотность заполнения энергетических уровней электронами описывается функцией Ферми-Дирака). В блоке подготовке осуществляется уменьшение средней энергии электронов до уровня, соответствующего уровню ферми в проводнике 7 из никеля. В процессе рекомбинации носителей заряда в полупроводниковом элементе I блока подготовки 2, приводящей к уменьшению средней энергии электронов за счет того, что электроны занимают более низкие энергетические уровни (в зависимости от того прямозонный полупроводник или нет) с появлением фонона (тепловые колебания кристаллической решётки), либо фотона (может покидать структуру, либо поглощаться ею с возникновением фонона). В случае затруднений с рассеиванием тепла теплопередачей и конвекцией устройства, преобразующие энергию электронов в фотоны решают эту проблему частично или полностью. Электроны, покинувшие блок подготовки 2 со средней энергией ниже, чем у электронов, попавших в блок подготовки, по проводнику 7 попадают на полупроводниковый элемент III блока охлаждения 3. В полупроводниковом элементе III блока охлаждения 3 электроны скачкообразно (если блок охлаждения 3 выполнен из однородного полупроводника с однородным легированием, либо из полупроводниковой структуры, имеющей р-n переход) или плавно (если блок охлаждения 3 выполнен из полупроводника с варизонной структурой) под воздействием внешнего поля и поглощения фононов (генерация электрон дырочных пар как основной физический процесс и эффект Томсона (в случае варизонных структур) как второстепенный процесс) попадает в область полупроводника с высоким уровнем ферми, при этом за счёт поглощения фононов происходит охлаждение полупроводникового элемента III блока охлаждения 3, который вплотную установлен к с объекту, нуждающемуся в охлаждении (например, процессор компьютера) и охлаждает указанный объект. Средняя энергия электронов, покинувших блок охлаждения 3 выше средней энергии электронов попавших в блок охлаждения и соответствует уровню ферми для материала проводника 8, что позволяет без термализации передать поглощённое тепло в виде энергии электронов, составляющих электрический ток на значительное расстояние. Электроны по проводнику 8 поступают на полупроводниковый элемент II блока рассеяния 4, где происходит процесс аналогичный процессу в блоке подготовки 2, при этом происходит рассеивание тепла, образованного за счет снижения энергии электронов, в окружающую среду через поверхность полупроводникового элемента II. Кроме того, в случае невозможного или недостаточного рассеивания потоков при теплопередаче и конвекции перед блоком рассеивания установлен по крайней мере один полупроводниковый элемент 6 преобразования энергии электронов в кванты, который дополнительно осуществляет рассеивание тепла в окружающую среду. Из блока рассеивания 4 электроны со средней энергии электронов ниже чем средняя энергия электронов, попавших в блок рассеивания, поступают в блок питания 1. В случае применения в конструкции ТТО более одного полупроводникового элемента II в блоке рассевания 4 и более одного полупроводникового элемента III в блоке охлаждения 3, электроны с предыдущего полупроводникового элемента II поступают последовательно на следующие последовательно соединенные проводниками 7 и 8 полупроводниковый элемент III и полупроводниковый элемент II, а уже из последнего полупроводникового элемента III из необходимого количества полупроводниковых элементов II b III в конструкции ТТО, электроны поступают в блок питания 1.
Блок управления измеряет температуру (охлаждаемого объекта, охлаждающего элемента, тепловыделяющего элемента) и в случае отклонения параметров от заданных изменяет характеристики электропитания для возвращения температурных параметров к заданным.
Наличие в заявленном устройстве блока рассеивания, позволяющего осуществлять рассеивание тепла, полученного от блока охлаждения в окружающую среду, позволяет увеличить производительность и КПД ТОУ за счет того, что не происходит перегрев заявленного устройства из-за отведения тепла, и как следствие отключение устройства, с целью его охлаждения для исключения выхода устройства из строя.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Твердотельное охлаждающее устройство, включающее расположенные последовательно и электрически соединенные: блок подготовки, выполненный в виде полупроводникового элемента, на одной поверхности которого расположена подложка, с нанесенным на ее внешнюю поверхность контакта со первым выводом для включения в электрическую цепь, а на другой поверхности полупроводникового элемента нанесен контакт со вторым выводом для включения в электрическую цепь, причем полупроводниковый элемент выполнен с возможностью уменьшения энергии электронов в электрическом токе, поступающем на второй вывод через провод от источника питания, а первый вывод подключен через провод ко второму выводу блока охлаждения, блок охлаждения, выполненный в виде по меньшей мере одного полупроводникового элемента, расположенного на подложке, и контакты с первым и вторым выводами, расположенные на наружных поверхностях подложки и полупроводникового элемента, соответственно, причем одна из наружных поверхностей находится непосредственно в контакте с объектом, требуемым охлаждения, при этом первый вывод подключен через провод ко второму выводу блока рассеяния, блок рассеяния, находящийся на расстоянии от блока охлаждения и выполненный в виде по меньшей мере одного полупроводникового элемента, на одной поверхности которого расположена подложка, с нанесенным на ее внешнюю поверхность контакта с первым выводом для включения в электрическую цепь, а на другой поверхности полупроводникового элемента нанесен контакт со вторым выводом для включения в электрическую цепь, причем второй вывод через провод соединен с первым выводом блока охлаждения, а первый вывод через провод соединен с источником питания.
2. Устройство по п.1 , характеризующееся тем, что в случае применения более одного полупроводникового элемента в блоке рассеивания и более одного полупроводникового элемента в блоке охлаждения, первый вывод первого полупроводникового элемента блока охлаждения через провод соединен со вторым выводом первого полупроводникового элемента блока рассеивания, первый вывод которого через провод соединен со вторым выводом следующего полупроводникового элемента блока охлаждения, первый вывод которого через провод соединен со вторым выводом первого полупроводникового элемента блока рассеивания или с блоком питания.
3. Устройство по п.1 , характеризующееся тем, что полупроводниковый элемент блока охлаждения выполнен в виде: полупроводника проводимости п типа; полупроводника переменной проводимости от p-типа до n-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода, и имеет проводимость р- типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода, и является р-п-структурой с плавным легированием от р типа к п типу по направлению течения тока.
4. Устройство по п.1 , характеризующееся тем, что полупроводниковый элемент блока рассеяния или подготовки выполнен в виде: полупроводника с проводимостью p-типа; двух полупроводников, один из которых является полупроводником с проводимостью n-типа, а другой проводником с проводимостью p-типа; полупроводника переменной проводимости: от проводимости n-типа до проводимости p-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость n-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и является р-п-структурой с плавным легированием от п типа к р типу по направлению течения тока.
5. Устройство по п.1 , характеризующееся тем, что для отвода тепла от блока рассеяния или подготовки дополнительно используют радиатор.
6. Устройство по п.1 , характеризующееся тем, перед блоком рассеивания тепла установлен и электрически соединен с указанным блоком полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты.
7. Устройство по п.1 , характеризующееся тем, перед блоком подготовки установлен и электрически соединен с указанным блоком полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты.
PCT/RU2022/000217 2022-07-06 2022-07-06 Твердотельное охлаждающее устройство WO2024010483A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2022/000217 WO2024010483A1 (ru) 2022-07-06 2022-07-06 Твердотельное охлаждающее устройство

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2022/000217 WO2024010483A1 (ru) 2022-07-06 2022-07-06 Твердотельное охлаждающее устройство

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024010483A1 true WO2024010483A1 (ru) 2024-01-11

Family

ID=89453908

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/000217 WO2024010483A1 (ru) 2022-07-06 2022-07-06 Твердотельное охлаждающее устройство

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024010483A1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2233509C2 (ru) * 1999-03-11 2004-07-27 Энеко, Инк. Гибридный термоэлектронный преобразователь энергии и способ
US20090007950A1 (en) * 2007-07-05 2009-01-08 Eliade Stefanescu Longitudinal quantum heat converter
JP2016207708A (ja) * 2015-04-16 2016-12-08 ローム株式会社 熱電変換素子およびその製造方法、および熱電発電装置およびペルチェ装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2233509C2 (ru) * 1999-03-11 2004-07-27 Энеко, Инк. Гибридный термоэлектронный преобразователь энергии и способ
US20090007950A1 (en) * 2007-07-05 2009-01-08 Eliade Stefanescu Longitudinal quantum heat converter
JP2016207708A (ja) * 2015-04-16 2016-12-08 ローム株式会社 熱電変換素子およびその製造方法、および熱電発電装置およびペルチェ装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"General physics course. Volume 1. Mechanics, molecular physics and thermodynamics", 1 January 2012, Moscow, article SAVEL'EV I. V: "§ 120. Supersaturated steam and superheated liquid", pages: 415 - 416, XP009553087 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6271459B1 (en) Heat management in wafer processing equipment using thermoelectric device
Shakouri et al. On-chip solid-state cooling for integrated circuits using thin-film microrefrigerators
Adams et al. Active peltier coolers based on correlated and magnon-drag metals
US7838760B2 (en) Trans-thermoelectric device
Shakouri et al. Enhanced thermionic emission cooling in high barrier superlattice heterostructures
KR20050000514A (ko) 양면 펠티어 접합을 이용하는 열전 장치 및 그 열전장치의 제조 방법
EA000388B1 (ru) Способ изготовления термоэлектрических модулей и припой для его осуществления
US20110100407A1 (en) Thermoelectric composite semiconductor
US8166769B2 (en) Self-cooled vertical electronic component
Al-Shehri et al. Experimental investigation of using thermoelectric cooling for computer chips
JP2004523094A (ja) エネルギー変換のための熱ダイオード
KR20150130168A (ko) 열전환장치
KR20130071759A (ko) 냉각용 열전모듈 및 그 제조방법
AU2018220031A1 (en) Thermoelectric device
KR101824695B1 (ko) 에너지 하베스팅 방열구조체
WO2024010483A1 (ru) Твердотельное охлаждающее устройство
CN113555492B (zh) 一种电子余热收集装置及其控制方法
KR20180128186A (ko) 열전모듈
Tiwari et al. Advanced thermoelectric materials in electrical and electronic applications
Singh et al. Thermoelectric Solar Refrigerator
Mishra et al. Peltier thermoelectric cooling module
JPH04280482A (ja) 太陽光を利用した冷却素子
CA2910958A1 (en) Thermoelectric device
WO2019240719A1 (ru) Охлаждающий термоэлектрический элемент
TWI744717B (zh) 熱電溫差發電裝置及其製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22950388

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1