Термоэлектрическая батарея

 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к термоэлектрическим батареям, работающим на основе эффекта Пельтье. Сущность изобретения: термоэлектрическая батарея содержит полупроводниковые ветви р- и n- проводимости, соединенные коммутационными шинами, токоподводы и металлические теплопереходы толщиной 0,5 - 6,0 мм, которые могут быть выполнены из алюминия, алюминия с нанесенной на него оксидной пленкой толщиной 3 - 150 мкм или из меди, покрытой слоем диэлектрического материала, например органическим лаком, окисью алюминия, нитридом кремния и т.д. Термоэлектрическая батарея имеет средство компенсации термических напряжений в виде слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала с коэффициентом теплопроводности не менее 0,3 Вт/мК, величиной упругой деформации не менее 30% и величиной модуля Юнга не более 95 МПа, при этом толщина слоя материала составляет не менее 0,001 длины коммутационной шины. Термобатарея имеет также дополнительное средство компенсации термических напряжений, которое может быть выполнено в виде сквозных прорезей как минимум в одном теплопереходе, заполненных эластичным материалом, либо в виде тиснений, нанесенных на теплопереход, а также в виде расположенного по периферии теплоперехода и заполняющего пространство между теплопереходами слоя эластичного теплоизоляционного материала, в этом случае модуль Юнга слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала должен составить не более 1 МПа. Кроме того, слой теплопроводного эластичного электроизоляционного материала, расположенный между коммутационными шинами и теплопереходами, может быть неоднородным по своим свойствам, а именно: в центральной части модуль Юнга - не менее 0,5 МПа, а по периферии не более 0,1 МПа. Данная конструкция термоэлектрической батареи позволит расширить область их применения, например значительно повысить давление рабочей среды, контактирующей с теплопереходами, а наличие эффективных средств компенсации термических напряжений - увеличить холодопроизводительность и повысить срок эксплуатации устройства. Использование металлических теплопереходов позволяет улучшить теплофизические характеристики: повысить стойкость к ударам и снизить потери теплового напора в теплопереходах. 8 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическим батареям, работа которых основана на эффекте Пельтье, и может быть использовано при разработке устройств холодильной техники, кондиционеров, медицинского оборудования и т.д.

Известна термоэлектрическая батарея, включающая ветви p- и n-проводимости, соединенные коммутационными шинами, и теплопереходы, выполненные из металлической фольги, на поверхность которой нанесена оксидная пленка (авт. свид. СССР N 409456, кл. H 01 L 35/32, 1973).

Недостатком известной конструкции является невысокая прочность теплопереходов, что препятствует применению ее в устройствах, использующих значительное давление рабочей среды, контактирующей с теплопереходами.

Изобретение направлено на создание термоэлектрической батареи с повышенной прочностью теплопереходов при одновременном обеспечении ее эффективными средствами снижения термических напряжений, что позволяет увеличить площадь и толщину теплопереходов, увеличить холодопроизводительность и расширяет, в свою очередь, область использования термоэлектрических батарей.

Для достижения указанного технического результата в термоэлектрической батарее, содержащей полупроводниковые ветви p- и n-проводимости, коммутационные шины, токоподводы, металлические теплопереходы и средство компенсации термических напряжений, толщина металлических теплопереходов составляет 0,5 - 6 мм, а средство компенсации термических напряжений выполнено в виде расположенного между коммутационными шинами и теплопереходами слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала с коэффициентом теплопроводности не менее 0,3 Вт/мК, величиной упругой деформации не менее 30% и величиной модуля Юнга не более 95 МПа, при этом толщина слоя материала составляет не менее 0,001 длины коммутационной шины, при этом термоэлектрическая батарея может быть снабжена дополнительным средством компенсации термических напряжений, выполненным либо в виде сквозных прорезей, как минимум, в одном теплопереходе, заполненных эластичным материалом, либо в виде тиснений на глубину не менее 1,5 толщины теплоперехода, либо в виде слоя эластичного теплоизоляционного материала, расположенного между теплопереходами по периферии термоэлектрической батареи, при этом, как минимум, на одном из теплопереходов модуль Юнга слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала составляет не более 1 МПа, а теплопереходы термобатареи могут быть выполнены из алюминия или из алюминия, покрытого оксидной пленкой, толщина которой составляет от 3 до 150 мкм, или из меди, покрытой слоем диэлектрического материала, например, органическим лаком, окисью алюминия, нитридом кремния и т.д., кроме того, слой теплопроводного эластичного электроизоляционного материала, расположенного между коммутационными шинами и одним из теплопереходов, может иметь разную величину модуля Юнга; в центральной части термобатарея имеет модуль Юнга не менее 0,5 МПа, а по периферии не более 0,1 МПа.

На фиг.1 изображена термоэлектрическая батарея; на фиг. 2 - термоэлектрическая батарея со сквозными прорезями в теплопереходе 4, заполненными электроизоляционным материалом 6; на фиг. 3 - термоэлектрическая батарея с тиснениями, выполненными на теплопереходе 4; на фиг. 4 - термоэлектрическая батарея с эластичным теплоизоляционным материалом 8, расположенным по периферии.

Термоэлектрическая батарея содержит термоэлектрические ветви 1 n- и p-проводимости, соединенные коммутационными шинами 2, снабженными токоподводами 3. К коммутационным шинам 2 присоединены теплопереходы 4 посредством слоя 5 теплопроводного эластичного электроизоляционного материал, который является средством для снижения термических напряжений при работе термобатарей. Как минимум один из теплопереходов 4 может быть снабжен дополнительным средством снятия термических напряжений, которое может быть выполнено в виде сквозных прорезей 6 в теплопереходе 4, заполненных эластичным материалом, либо в виде тиснений 7, глубина которых составляет не менее 1,5 толщины теплоперехода, либо в виде слоя 8 эластичного теплоизоляционного материала, размещенного между теплопереходами по периферии батареи.

Полупроводниковые ветви 1 присоединяют к коммутационным шинам 2 посредством пайки.

К шинам 2 присоединены токопроводы 3, соединенные с источником электропитания (на чертеже не показан). Выполнение металлических теплопереходов 4 толщиной 0,5 - 6 мм позволяет значительно повысить прочность термоэлектрической батареи. При толщине менее 0,5 мм прочность будет недостаточной, а более 6 мм - увеличатся потери теплового напора и при этом увеличится вес.

При применении прочных теплопереходов 4 значительной толщины и размеров возникает проблема компенсации термических напряжений. Расположение слоя 5 теплопроводного эластичного электроизоляционного материала на теплопереходе 4 в местах контакта с коммутационными шинами 2 позволяет значительно снизить термические напряжения, возникающие в элементах конструкции. Используемый материал выбирается со следующими свойствами: коэффициент теплопроводности не менее 0,3 Вт/мК, так как при значениях его ниже указанной величины будут иметь место потери теплового напора.

Выбор материала с величиной упругой деформации менее 30% позволяет компенсировать термическую деформацию теплопереходов упругой деформацией слоя теплопроводного эластичного материала, величина модуля Юнга (не более 95 МПа) материала выбирается из условия ограничения механической нагрузки на ветви, толщина слоя 5 - не менее 0,001 от длины коммутационной шины 2 из условия согласования величины упругой деформации теплопереходов 4 и теплопроводного упругого эластичного материала 5.

В качестве теплопроводного эластичного упругого материала могут быть использованы: резины, клеи, герметики, в частности силиконовые и имеющие в своем составе теплопроводные добавки.

Термоэлектрическая батарея может быть снабжена дополнительными средствами компенсации напряжений. Например, в виде сквозных прорезей 6, выполненных в одном из теплопереходов 4, заполненных эластичным материалом. В качестве эластичного материала используют резины, клеи, герметики.

Дополнительное средство может представлять собой выполненные в теплопереходе 4 тиснения 7, глубина которых не менее 1,5 толщины теплоперехода 4. При выборе глубины, меньшей 1,5 толщины теплоперехода, будет наблюдаться повышенная жесткость теплопровода в продольном направлении и, как следствие, разрушение термобатареи при термоциклировании.

Кроме того, дополнительное средство может быть выполнено в виде слоя 8 эластичного теплоизоляционного материала, расположенного по периферии теплопереходов 4 и заполняющего пространство между ними. В качестве эластичного теплоизоляционного материала применяют резины, клеи, герметики, в том числе вспененные. В этом случае модуль Юнга слоя 5 теплопроводного эластичного электроизоляционного материала не должен превышать 1 МПа, т.к. в противном случае увеличивается механическая нагрузка на ветви и батарея будет плохо переносить термоциклирование.

Использование металлических теплопереходов 4 позволяет создать прочную конструкцию, обладающую высокими теплофизическими характеристиками и стойкостью к ударным воздействиям, что не обеспечивают керамические теплопереходы. Наиболее предпочтительным с этой точки зрения являются теплопереходы 4, выполненные из алюминия с нанесенной на него оксидной пленкой толщиной 3 - 150 мкм или из меди, покрытой слоем диэлектрического материала, например органическим лаком, окисью алюминия, нитридом кремния и т.д. Выбор оксидной пленки толщиной 3-150 мкм сделан исходя из требования создания электроизоляционного слоя.

При толщине выше 150 мкм оксидная пленка в значительной степени теряет теплофизические св-ва и не дает значительного увеличения электроизоляционных свойств.

Для создания более гибкой системы компенсации термических напряжений на одном из теплопереходов 4 слой 5 теплопроводного эластичного электроизоляционного материала может быть выполнен из материалов с различной величиной модуля Юнга, например, в центральной части - 0,5 МПа, а по периферии - не более 0,1 МПа. Это позволит при сохранении достаточной прочности термобатареи за счет относительно большой величины модуля Юнга в центральной части батареи, где абсолютное значение термических деформаций минимально, снизить механические нагрузки на ветви при температурных перепадах на батарее за счет малого модуля Юнга, материала, соединяющего шины и теплопереход на периферии термоэлектрической батареи, где термические деформации максимальны.

Использование термоэлектрических батарей данной конструкции позволит увеличить теплофизические свойства и единичную мощность при сохранении устойчивости к термоциклированию и ресурса работы.

Формула изобретения

1. Термоэлектрическая батарея, содержащая полупроводниковые ветви p- и n-проводимости, коммутационные шины, токоподводы, металлические теплопереходы и средство компенсации термических напряжений, отличающаяся тем, что толщина металлических теплопереходов составляет 0,5-6,0 мм, а средство компенсации термических напряжений выполнено в виде расположенного между коммутационными шинами и теплопереходами слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала с коэффициентом теплопроводности не менее 0,3 Вт/мК, величиной упругой деформации не менее 30% и величиной модуля Юнга не более 95 МПа, при этом толщина слоя материала составляет не менее 0,001 длины коммутационной шины.

2. Термоэлектрическая батарея по п. 1, отличающаяся тем, что батарея снабжена дополнительным средством компенсации термических напряжений.

3. Термоэлектрическая батарея по п.2, отличающаяся тем, что дополнительное средство компенсации термических напряжений выполнено в виде сквозных прорезей как минимум в одном теплопереходе, заполненных эластичным материалом.

4. Термоэлектрическая батарея по п.2, отличающаяся тем, что дополнительное средство компенсации термических напряжений выполнено в виде тиснения на глубину не менее 1,5 толщины теплоперехода.

5. Термоэлектрическая батарея по п.2, отличающаяся тем, что дополнительное средство компенсации температурных напряжений выполнено в виде слоя эластичного теплоизоляционного материала, расположенного между теплопереходами по периферии термоэлектрической батареи, при этом как минимум на одном из теплопереходов модуль Юнга слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала составляет не более 1 МПа.

6. Термоэлектрическая батарея по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что теплопереходы выполнены из алюминия.

7. Термоэлектрическая батарея по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что теплопереходы выполнены из алюминия, покрытого оксидной пленкой, толщина которой составляет 3 - 150 мкм.

8. Термоэлектрическая батарея по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что теплопереходы выполнены из меди, покрытой слоем диэлектрического материала, например органическим лаком, окисью алюминия, нитридом кремния и т.д.

9. Термоэлектрическая батарея по п.1, отличающаяся тем, что как минимум на одном из теплопереходов модуль Юнга слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала, расположенного между шинами и теплопереходом в центральной части теплоперехода, составляет не менее 0,5 МПа, по периферии теплоперехода не более 0,1 МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4