Термоэлектрический модуль

Полезная модель относится к термоэлектрическим устройствам, работа которых основана на эффектах Пельтье и Зеебека, и может найти широкое применение в нагревательных и охлаждающих устройствах, а также в оборудовании для кондиционирования воздуха, в измерительной и медицинской технике. Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции модуля за счет исключения из нее средств механического крепежа с упругими элементами при одновременном обеспечении отсутствия разрушения элементов модуля при температурных изменениях. Термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, токовые выводы и теплопроводы, между которыми расположена активная структура. При этом согласно предложению активная структура не закреплена между теплопроводов механически и имеет возможность перемещения относительно электроизолирующих слоев теплопроводов. При этом теплопроводы могут быть соединены между собой клеящим компаундом с теплопроводностью, меньшей теплопроводности полупроводникового материала либо по периметру, либо внутри активной структуры, либо и по периметру, и внутри активной структуры. Модуль может содержать расположенные между теплопроводами армирующие элементы в виде стержней, и/или уголков, и/или рамок, а также в виде гибких волокон, и/или нитей, и/или трубок, которые могут быть механически прикреплены к обоим теплопроводам, или только к одному из теплопроводов, или свободны от прикрепления к теплопроводам. Токовые выводы могут иметь зигзагообразную форму на концах, примыкающих к активной структуре, причем зигзагообразная часть огибает элементы модуля таким образом, что при приложении механической нагрузки к свободному концу токового вывода нагрузка не передается на другой, ближайший к активной структуре, конец токового вывода.

Полезная модель относится к термоэлектрическим устройствам, работа которых основана на эффектах Пельтье и Зеебека, и может найти широкое применение в нагревательных и охлаждающих устройствах, а также в оборудовании для кондиционирования воздуха, в измерительной и медицинской технике.

В настоящее время известны термоэлектрические модули с различными средствами компенсации термических напряжений.

Известен термоэлектрический модуль, в котором негативное влияние термоциклирования на его эксплуатационные характеристики частично компенсируется за счет использования специального теплоконтактного соединения между теплопроводами и коммутационными шинами (токопроводами), которые соединены с полупроводниковыми ветвями n- и p-типов проводимости. В качестве такого соединения использован компаунд высокотеплопроводной силиконовой резины. Толщина слоя компаунда выбирается в диапазоне от 5 до 30 мкм (RU 2117362 C1, опубликован 10.08.1998)

Данное конструктивное выполнение позволяет скомпенсировать термомеханические напряжения, вследствие чего в процессе термоциклирования обеспечивается свободная деформация коммутационной шины (токопровода) в слое компаунда. Однако известное техническое решение не позволяет существенно увеличить ресурс устройства из-за температурной деструкции компаунда при длительном термоциклировании в процессе эксплуатации изделия.

Наиболее близким к предложенному является термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, теплопроводы с находящимся на их внутренней стороне теплопроводящими электроизолирующими слоями, жестко сцепленными с теплопроводами, между которыми расположена активная структура, и токовые выводы, причем металлические теплопроводы и активная структура соединены между собой с помощью, по меньшей мере, одного крепежного элемента и, по меньшей мере, одного упругого элемента, размещенного между опорной частью крепежного элемента и опорной поверхностью металлического теплопровода (RU 54464 U, опуб. 27.06.2006).

В данном термоэлектрическом модуле упругие элементы использованы в качестве компенсаторов термических напряжений.

Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции модуля за счет исключения из нее средств механического крепежа с упругими элементами при одновременном обеспечении отсутствия разрушения элементов модуля при температурных изменениях.

Технический результат достигается тем, что термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, токовые выводы теплопроводы, между которыми расположена активная структура, при этом, согласно предложению, активная структура не закреплена между теплопроводов механически и имеет возможность перемещения относительно электроизолирующих слоев теплопроводов.

Сами теплопроводы могут быть соединены между собой клеящим компаундом с теплопроводностью, меньшей теплопроводности полупроводникового материала либо по периметру, либо внутри активной структуры, либо и по периметру, и внутри активной структуры.

Модуль может содержать расположенные между теплопроводами армирующие элементы в виде стержней, и/или уголков, и/или рамок, а также в виде гибких волокон, и/или нитей, и/или трубок.

При этом армирующие элементы могут быть механически прикреплены к обоим теплопроводам, или только к одному из теплопроводов, или свободны от прикрепления к теплопроводам.

Кроме того, по меньшей мере, часть армирующих элементов может образовывать, по меньшей мере, одну защелку, соединяющую при закрывании теплопроводы между собой.

Токовые выводы могут иметь зигзагообразную форму на концах, примыкающих к активной структуре, причем зигзагообразная часть огибает элементы модуля таким образом, что при приложении механической нагрузки к свободному концу токового вывода нагрузка не передается на другой, ближайший к активной структуре, конец токового вывода.

Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 показан вариант исполнения предложенного модуля с рамкой, находящегося в свободном состоянии, на фиг.2 - то же, в собранном в термоэлектрической системе состоянии, на фиг.3 - вариант исполнения модуля с зигзагообразными токовыми выводами

Термоэлектрический модуль содержит полупроводниковые элементы 1 p-типа и n-типа проводимости, коммутационные токопроводы 2, электрически соединяющие полупроводниковые элементы 1 между собой и создающие в совокупности с ними так называемую «активную структуру» термоэлектрического модуля, и металлические теплопроводы 3, между которых расположена активная структура.

На внутренних поверхностях теплопроводов 3, касающихся активной структуры, находится электроизолирующий слой 4 с хорошей теплопроводностью, жестко сцепленный с теплопроводом 3 и допускающий при температурных изменениях перемещение электроизолирующего слоя 4 относительно активной структуры без их разрушения.

Теплопроводы 3 могут быть выполненными также из неэлектропроводных керамики, или стекла, или пластмассы. При этом дополнительный электроизолирующий слой не требуется.

Теплопроводы 3 могут быть соединены между собой по периметру и/или внутри «активной структуры» с помощью клеящего компаунда (на чертежах не показано), обладающего низкой теплопроводностью, что обеспечивает единство конструкции модуля. Для увеличения прочности модуля могут использоваться армирующие элементы в виде стержней, уголков и других форм, включая замкнутые по периметру рамки, а также волокон и нитей. Стержни и уголки могут располагаться между рядами полупроводниковых элементов 1. Рамки и уголки могут располагаться по периметру теплопроводов 3. При этом армирующие элементы могут быть механически прикреплены (например, приклеены или припаяны) к обоим теплопроводам, либо только к одному из теплопроводов, либо свободны от прикрепления к теплопроводам. Кроме того, армирующие элементы могут соединять теплопроводы 3 друг с другом. Например, некоторые из армирующих элементов могу образовывать защелку, которая при закрывании механически соединяет теплопроводы 3 друг с другом (на чертежах не показано).

На фиг.1 и 2 показан вариант модуля, в котором теплопроводы 3 скреплены приклеенной или припаянной к ним рамкой 5. «Активная структура» расположена между теплопроводами 3 модуля и рамкой 5 свободно и не прикреплена к ним. На фиг.1 показано свободное состояние модуля, когда теплопроводы 3 не прижаты к теплоприемникам 6 термоэлектрической системы.

В рабочем положении термоэлектрической системы ее теплоприемники 6 прижимаются к теплопроводам 3, как показано на фиг.2. В этом случае рамка 5 модуля или клеевой слой на рамке 5 сжимается, и имеющиеся внутри модуля зазоры между теплопроводами 3 и теплоприемниками 6 выбираются, что обеспечивает хороший тепловой контакт между ними.

При этом, в отличие от ситуации на фиг.1, теплопроводы 3 и коммутационные токопроводы 2 модуля могут смещаться друг относительно друга, предохраняя полупроводниковые элементы 1 р-типа и n-типа проводимости от избыточных термических напряжений.

В известных термоэлектрических модулях полупроводниковые элементы своими торцами через токопроводы припаяны или приклеены к теплопроводам и к полупроводниковым элементам, последние подвергаются сложной температурной деформации и механическим напряжениям, приводящим к отказам модулей.

Токовые выводы 7 модуля предпочтительно имеют зигзагообразную форму (см. фиг.3), благодаря чему при приложении механической нагрузки к свободному концу токового вывода 7 она не передается на другой, ближайший к «активной структуре», конец этого токового вывода 7, что исключает риск случайных повреждений «активной структуры».

Как можно видеть на схематическом изображении, один конец электрического зигзагообразного вывода 7 припаян к коммутационному токопроводу 2, а второй - свободен для подключения в термоэлектрическую систему. При этом токовый вывод 2 огибает край рамки 6 и край перекрывающего элемента 8 рамки, принимая зигзагообразную форму.

Полезная модель/изобретение позволяет упростить и удешевить конструкцию модуля, отказавшись от пайки «активной структуры» к теплопроводам и от использования специального механического крепежа с тарированными упругими элементами. Отсутствие жесткого сцепления между «активной структурой» и теплопроводами, а также специальная зигзагообразная форма токовых выводов позволяет свести к возможному минимуму влияние термических механических напряжений в модуле.

1. Термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, токовые выводы и теплопроводы, между которыми расположена активная структура, отличающийся тем, что активная структура не закреплена между теплопроводами механически и имеет возможность перемещения относительно теплопроводов.

2. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что теплопроводы соединены между собой по периметру клеящим компаундом с теплопроводностью, меньшей теплопроводности полупроводникового материала.

3. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что теплопроводы соединены между собой внутри активной структуры клеящим компаундом с теплопроводностью, меньшей теплопроводности полупроводникового материала.

4. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что теплопроводы соединены между собой по периметру и внутри активной структуры клеящим компаундом с теплопроводностью, меньшей теплопроводности полупроводникового материала.

5. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что модуль содержит расположенные между теплопроводами армирующие элементы в виде стержней, и/или уголков, и/или рамок.

6. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что модуль содержит расположенные между теплопроводами армирующие элементы в виде гибких волокон, и/или нитей, и/или трубок.

7. Термоэлектрический модуль по п.5 или 6, отличающийся тем, что армирующие элементы механически прикреплены к обоим теплопроводам, или только к одному из теплопроводов, или свободны от прикрепления к теплопроводам.

8. Термоэлектрический модуль по п.5 или 6, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть армирующих элементов образуют, по меньшей мере, одну защелку, соединяющую при закрывании теплопроводы между собой.

9. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что токовые выводы имеют зигзагообразную форму на концах, примыкающих к активной структуре, причем зигзагообразная часть огибает элементы модуля таким образом, что при приложении механической нагрузки к свободному концу токового вывода нагрузка не передается на другой, ближайший к активной структуре, конец токового вывода.