Устройство охлаждения на основе нанопленочных термомодулей

Изобретение относится к системам охлаждения и теплоотвода, например, к устройствам для охлаждения электронных компонентов. Техническим результатом является повышение эффективности системы охлаждения. Термоэлектрическое устройство выполнено в виде многослойного термомодуля, в котором в качестве полупроводниковых ветвей p-типа и n-типа выбраны такие материалы, что протекающий ток от p- к n-типу будет формировать излучение, а при протекании тока от n- к p-типу будет происходить поглощение тепловой энергии в соответствии с эффектом Пельтье, причем каждый слой каскада термомодуля выполнен в виде нанопленки трубчатой структуры, в которой паразитные тепловыделения будут практически сведены к нулю за счет уменьшения омического сопротивления материалов термомодуля при туннелировании электронов через переходы. 1 ил.

 

Изобретение относится к системам охлаждения и теплоотвода, например к устройствам для охлаждения электронных компонентов.

Известен способ отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов в виде излучения [1], в котором используются светодиодные излучатели, предназначенные для преобразования тепловой энергии, поступившей с холодных спаев термомодуля в виде электрического тока, в энергию излучения, отводящего тепло от охлаждаемого устройства в окружающую среду.

Цель изобретения - повышение эффективности системы охлаждения.

Для достижения цели изобретения разработано термоэлектрическое устройство, состоящее из трубчатых нанопленочных термомодулей с чередованием охлаждающих и излучающих p-n-переходов.

На фиг.1 представлена конструкция нанопленочного многослойного каскадного светоизлучающего термомодуля.

Конструкция термоэлектрического устройства представляет собой многослойный (каскадный) термомодуль в виде трубчатой структуры, состоящей из термомодулей, выполненных в виде нанопленок, в которых в качестве полупроводниковых ветвей p-типа 1 и n-типа 2 выбраны такие материалы, что протекающий ток от p- к n-типу будет формировать излучение, а при протекании тока от n- к p-типу будет происходить поглощение тепловой энергии в соответствии с эффектом Пельтье. Питание осуществляется через положительный металлический зеркальный электрод 3 и отрицательный прозрачный электрод 4 постоянным током.

В качестве материалов для изготовления ветвей p-типа и n-типа термомодуля используют те же материалы, из которых изготавливают светодиоды, а именно фосфид галлия (GaP), нитдид галлия (GaN), карбид кремния (SiC) и др.

Толщина термомодуля, изготовленного в виде нанопленки, составляет примерно 10^-8 м. Такая толщина термомодуля позволяет практически устранить джоулевые тепловыделения (эффект Джоуля), так как длина свободного пробега электрона будет меньше толщины нанопленки (электроны будут туннелировать). В результате паразитные тепловыделения за счет уменьшения омического сопротивления материалов термомодуля будут практически сведены к нулю и останутся только охлаждающий эффект Пельтье и излучающий светодиодный эффект.

Другое важное и полезное свойство нанопленок - это высокая прозрачность. Даже если изготовить устройство из большого количества слоев - термомодулей, изготовленных в виде нанопленок, прозрачность сохранится. Высокая прозрачность позволяет эффективно отводить тепло в виде излучения. Кроме того, нанопленки обладают идеальными характеристиками по кондуктивному теплопереносу за счет малой толщины. Это позволяет всем n-p-переходам в многослойном термомодуле одновременно поглощать тепло.

Применение представленного устройства в системах охлаждения позволит обеспечить высокую эффективность теплоотвода от охлаждаемых компонентов электронной техники вплоть до возникновения сверхпроводящего эффекта при охлаждении до 0 K. На фиг.1 центральный металлический стержень будет сверхпроводящим. На основе нанопленочных термомодулей можно расширить номенклатуру электронных компонентов для криоэлектроники без применения громоздких охлаждающих устройств с одновременным достижением минимальных энергетических затрат.

Литература

1. Способ отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов в виде излучения: пат. 2405230 Рос. Федерация: МПК G06F 1/20 / Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Нежведилов Т.Д., Челушкина Т.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». - №2009120686/09; заявл. 01.06.2009, опубл. 27.11.2010, Бюл. №33.

Устройство охлаждения на основе нанопленочных термомодулей, выполненное в виде многослойного термомодуля, в котором в качестве полупроводниковых ветвей p-типа и n-типа выбраны такие материалы, что протекающий ток от p- к n-типу будет формировать излучение, а при протекании тока от n- к p-типу будет происходить поглощение тепловой энергии в соответствии с эффектом Пельтье, отличающееся тем, что каждый слой каскада термомодуля выполнен в виде нанопленки трубчатой структуры, в которой паразитные тепловыделения будут практически сведены к нулю за счет уменьшения омического сопротивления материалов термомодуля при туннелировании электронов через переходы.