Каскадный термоэлектрический охладитель

 

Использование: в области термоэлектрических устройств для охлаждения, в каскадных охладителях, работающих при низких (50 - 150 К) температурах, в радиоэлектронике, космической технике и других областях. Сущность изобретения: с целью повышения термоэлектрической эффективности в элементарную N-каскадную ячейку введены (N - 1) каскадные ветви того же типа проводимости с числом каскадов от одного до (N - 1), электрически соединенных с объемными пассивными сверхпроводящими ветвями по схеме с разветвлением токов по каскадам. Число пассивных ветвей равно числу активных и они расположены наклонно к активным. 3 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам для охлаждения, в частности к каскадным охладителям, работающим при низких (50^oC150 К) температурах, и может быть применено в радиоэлектронике, космической технике и других областях.

Известны каскадные термоэлектрические охладители, содержащие полупроводниковые ветви II- и p-типа проводимости, соединенные по схеме с параллельным (разветвленным) электропитанием каскадов [1] что позволяет подводить ток только к самым "горячим" спаям и не требует электроизоляционных теплопереходов, вносящих тепловое сопротивление между каскадами.

Однако при низких температурах (ниже 150К) термоэлектрическая эффективность таких охладителей низка, так как для этой температурной области в настоящее время отсутствуют высокоэффективные ветви p-типа. (Ветви II-типа - BiSb).

Для повышения эффективности охладителя вместо полупроводниковых ветвей p-типа устанавливают сверхпроводящие ветви, которые, хотя и не обладают термоэлектрическими свойствами, но и не выделяют джоулева тепла [2] Возможно применение и несверхпроводящих пассивных ветвей термоэлементов.

Простая замена в известном каскадном охладителе с n-ветвями из BiSb полупроводниковых ветвей p-типа на сверхпроводящие ветви не реализует всех возможностей такой замены. Возникают потери перепада температуры из-за взаимного расположения пассивных (сверхпроводящих) и активных (полупроводниковых) ветвей термоэлемента, когда активная (выделяющая тепло Пельтье) ветвь первого (более холодного) каскада расположена на пассивной (не поглощающей тепло) ветви второго каскада и т.д. Перекосы температуры в контактных пластинах усугубляют также основной недостаток рассматриваемой схемы трудность реализации режима максимальной экономичности из-за равенства падений напряжений на термоэлементах всех каскадов.

Указанные недостатки в основном устранены в известном каскадном термоэлектрическом охладителе [3] В этом охладителе (прототип) активные (полупроводниковые) ветви расположены одна над другой, образуя в элементарной N-каскадной ячейке одну N-каскадную активную ветвь. Между активными ветвями (каскадами) установлены электроизоляционные пластины и металлические пластины.

Расположение пассивных (сверхпроводящих) ветвей таково, что возможно как независимое позволяющее реализовать экономичный режим, так и параллельное (при объединении однополярных выводов) электропитание. (В последнем случае падения напряжений в каскадах одинаковы).

Указанный каскадный охладитель обладает рядом недостатков.

В элементарной 2-каскадной ячейке на две активных ветви приходится три пассивных ветви. Это усложняет конструкцию и снижает термоэлектрическую эффективность (перепад температуры при заданной тепловой нагрузке или холодопроизводительность при заданном перепаде температуры) из-за теплопритоков по дополнительной пассивной ветви. (Токовое сечение сверхпроводящей ветви, изготавливаемых, как правило, из керамики, не может быть бесконечно малым, т. к. определяется требованиями прочности и критической плотности тока.) При наращивании каскадов на каждую последующую активную ветвь требуется две пассивных ветви, одна из которых (дополнительная) непосредственно связана с источником питания, т.е. с окружающей средой (самыми "горячими" спаями охладителя).

В общем случае на N активных ветвей требуется (2N 1) пассивных ветвей, из которых N-1 дополнительных (от источника питания к соответствующей активной ветви).

Соотношение термоэлементов в каскадах 1 1, что усложняет согласование каскадов и снижает напряжение питания элементарной ячейки и охладителя в целом.

При параллельном питании каскадов (однополярные выводы объединены) невозможно отказаться от электроизоляционных теплопереходов, снижающих общий перепад температуры (термоэлектрическую эффективность) в отличие от классического каскадного охладителя с параллельным (разветвленным) электропитание каскадов (см. аналог).

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и повышение термоэлектрической эффективности за счет снижения теплотпритоков, а также улучшение условий согласования каскадов, повышение напряжения питания.

Для достижения этой цели в элементарную N-каскадную ячейку введены кроме основной N-каскадной активной ветви еще и от одно-до (N 1)-каскадной активных ветвей, электрически соединенных с пассивными ветвями по схеме с разветвлением токов по каскадам, при этом число пассивных ветвей равно числу активных, и объемные пассивные ветви расположены наклонно к активным.

Снижение числа пассивных ветвей в расчете на одну активную ветвь и их постепенное охлаждение за счет дополнительных активных ветвей сводят к минимуму приток тепла к теплопоглощающим спаям активных ветвей по пассивным ветвям, что повышает термоэлектрическую эффективность охладителя.

Уменьшение притока тепла по пассивным ветвям происходит и за счет того, что наклонно расположенные пассивные ветви имеют большую, чем у активных ветвей токовую длину.

Дополнительные активные ветви повышают напряжение питания элементарной N-каскадной ячейки и охладителя в целом.

Несмотря на разветвленное (параллельное) питание, падения напряжений в каскадах основной H-каскадной ветви в общем случае разные и могут быть легко оптимизированы.

Таким образом, улучшаются условия согласования каскадов в H-каскадной ветви.

На фиг. 1 и 2 схематически изображены двух-и трехкаскадные элементарные ячейки охладителя; на фиг. 3 электрическая схема соединения ветвей термоэлементов.

Охладитель содержит активные полупроводниковые ветви 1, например, из BiSb n-типа проводимости и пассивные сверхпроводящие ветви 2, например, из керамики Y, Ba₂ Cu₃O₇ с температурой перехода во сверхпроводящее состояние T_с 92^oC95К или таллиевой керамики с T_с 120К, соединенные между собой с помощью высокоэлектропроводного металла 3 (медь, припой и т.п.) с образованием спаев.

Активные ветви термоэлементов, установленные одна на другую, образуют каскадные активные ветви.

Элементарная двухкаскадная ячейка охладителя содержит двух-и однокаскадную активную ветвь, а трехкаскадная элементарная ячейка трех-, двух- и однокаскадную активную ветвь.

Активные ветви в каждой каскадной активной ветви могут быть одного токового сечения и разной токовой высоты (фиг. 1), разного токового сечения и одинаковой токовой высоты (фиг. 2) или разных и токового сечения и токовой высоты.

Токовое сечение активных ветвей примерно на порядок больше минимально возможного токового сечения пассивных ветвей.

Пассивные ветви, число которых равно числу активных, могут быть объединены в общие пластины (фиг. 1).

Охладитель работает следующим образом.

При температуре окружающей среды, равной температуре перехода пассивных ветвей со сверхпроводящее состояние, охладитель готов к работе.

Постоянный электрический ток, распределяемый в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 3, вызывает эффект Пельтье.

Далее рассмотрим работу на примере трехкаскадного охладителя (фиг. 2) и в первую очередь основной трехкаскадной активной ветви.

Тепло Q_o, выделяемое объектом охлаждения, и тепло, поступающее за счет теплопроводности по пассивной ветви 1 каскада, поглощаются на рабочем спае активной ветви 1 каскада.

На противоположном спае активной ветви 1 каскада это тепло плюс тепло, соответствующее потребляемой активной ветвью 1 каскада мощности, выделяется. Сюда же поступает тепло по пассивной ветви II каскада.

Активные ветви II и III каскадов работают аналогичным образом, только тепло с тепловыделяющего спая активной ветви III каскада отводится в окружающую среду.

После выхода на режим на спаях устанавливаются температуры T₀<T<T<T.

Предлагаемое устройство способствует решению проблемы охлаждения радиоэлектронных элементов в области температур ниже 150К, в которой традиционные термоэлектрические охладители на основе халькогенидов висмута и сурьмы, выпускаемые промышленностью, малоэффективны. Его технико-экономические преимущества перед прототипом определяются уменьшением потерь термоэлектрической эффективности при использовании пассивных сверхпроводящих ветвей за счет снижения теплопритоков по ним.

Формула изобретения

Каскадный термоэлектрический охладитель, содержащий активные полупроводниковые ветви одного типа проводимости, установленные одна на другой и образующие в элементарной N-каскадной ячейке одну активную N-каскадную ветвь, и объемные пассивные сверхпроводящие ветви, электрически соединенные с активными полупроводниковыми ветвями, отличающийся тем, что в элементарную N-каскадную ячейку введены (N 1)-каскадные ветви того же типа проводимости, с числом каскадов от одного до (N 1), электрически соединенные с объемными пассивными сверхпроводящими ветвями по схеме параллельного питания каскадов, причем объемные пассивные сверхпроводящие ветви расположены наклонно к активным и их число равно числу активных.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2