Термоэлектрический охлаждающий модуль

Полезная модель позволяет решить проблему разработки такого термоэлектрического охлаждающего модуля, который позволил бы повысить надежность устройства, т.е. увеличить среднее время работы в 1,5-1,7 раза до возникновения отказа при эксплуатации модуля при температурах 150°С и выше в условиях многократного термоциклирования и так называемых тепловых ударов. Полезная модель позволяет снизить стоимость термоэлектрических модулей и расширить область их применения. Решается также проблема снижения контактного сопротивления. Данная полезная модель представляет собой матрицу из термоэлектрических пар, каждая из которых образована полупроводниковым материалом n- и p-типов проводимости, связанных между собой электрически в серии с помощью коммутационных шин и термически в параллели. Термоэлектрические пары расположены в виде сэндвич-структуры между двумя теплопроводящими пластинам, при этом между шиной и пластиной расположены слой металлоорганического соединения со стороны шины и слой материала на силиконовой основе. Устройство содержит многослойное металлизированное покрытие между термоэлектрическими парами и коммутационными шинами.

Полезная модель относится к области термоэлектрического приборостроения, и может быть использована при изготовлении термоэлектрических устройств, принцип работы которых основан на эффектах Пельтье или Зеебека, в частности, охлаждающих термоэлектрических устройств.

Известно, что термоэлектрические модули на эффекте Пельтье предназначены для передачи тепловой энергии от одной поверхности к другой и состоят из полупроводниковых ветвей с проводимостями p-типа и n-типа, расположенных между двумя диэлектрическими подложками, на поверхностях которых имеются коммутационные площадки, соединяющие полупроводниковые ветви в единую электрическую цепь. При пропускании тока через электрическую цепь тепловая энергия с одной из подложек ветви перетекает на другую подложку, температура первой из подложек падает, а второй увеличивается. Это свойство термоэлектрических модулей используют для создания различных холодильных устройств, откачивающих тепловую энергию из рабочего пространства во внешнюю среду или передающих тепло от одной поверхности к другой.

Предметом большинства исследований в данной области техники являются проблемы производства высокоэффективных термоэлектрических материалов, разработки конструкции модулей, касающиеся электрических и термоэлектрических соединений элементов и прилегающих полупроводниковых ветвей (WO 96/37918, WO 91/18422, V.T. Bublic et.al. Stmcture and

properties of thermoelectric crystalswith elevated diameter grown by float-zone method, ICT95 Abstracts, p.59).

Длительное время особое внимание уделяется не только эффективности термоэлектрического материала, но и качеству перехода между ветвями и соединениями элементов при производстве термоэлектрических модулей. Проблема надежности в условиях многократного термоциклирования вызывает интерес различных компаний (JP, 59231884 A; Y. Tanji, Y. Naka-gawa et.al. Proceeding of 12^th ICT, 1993, p.452-457 "A new type thermoelectric module composed of hamburger-type elements").

Из патента US, 5171372 известен термоэлектрический модуль, включающий полупроводниковые ветви на основе тройных сплавов из Bi₂Te₃-Bi ₂Se₃ или Вi₂ Те₃-Sb₂Те ₃, пайку рядов ветвей припоями. Электросопротивление коммутационных спаев известных термоэлектрических модулей относительно велико.

В патенте RU, 2075138 раскрыт термоэлектрический охлаждающий модуль, содержащий ветви из полупроводникового материала на основе тройных сплавов из Вi₂Те ₃ - Bi₂Se₃ или Bi₂Te₃ - Sb ₂Те₃, пайку рядов ветвей припоями Bi-Sn или Bi-Sb. Известно, что с применением этих припоев выполняют пайку как индивидуально каждой пары ветвей в термоэлемент, так и последних в ряды ветвей, из которых затем набирают термоэлектрический модуль, коммутируя ряды между собой. В известном устройстве используют металлодиэлектрические пластины, которые изготавливают путем покрытия поверхности металла слоем полиимида, представляющего собой термостойкое полимерное соединение. Слой полиимида наносят на металлическое основание из раствора в органическом растворителе при комнатной температуре. К недостатку известного термоэлектрического модуля можно отнести тот факт, что электросопротивление коммутационных спаев достаточно велико.

В качестве примера можно также привести известный из патента RU, 2075138 термоэлектрический модуль, который относится к термоэлектрическим охлаждающим устройствам, обеспечивающим прямое преобразование электрической энергии в тепловую и работающим на эффекте Пельтье. Известный термоэлектрический модуль состоит из полупроводниковых ветвей с проводимостями p- и n-типов, соединенными металлическими шинами с высокой электропроводностью в единую электрическую цепь и размещенных между подложками таким образом, что все горячие спаи соединены с одной подложкой, а все холодные - с противоположной. Шины соединены с подложками через металлические контактные площадки. Подложки выполнены в виде металлодиэлектрических пластин, состоящих из металлического основания и нанесенного на него полиимидного слоя, обладающего высокой адгезией к металлу основания. При изготовлении подложки металлическую пластину, образующую основание, подвергают химической и термической обработке, а затем наносят при комнатной температуре из раствора в органическом растворителе полиимидный слой, после чего проводят термическую обработку пластины. Недостатком известного термоэлектрического охлаждающего модуля является низкая эксплуатационная надежность при многократном термоциклировании.

В патенте RU, 2117362 раскрыт термоэлектрический охлаждающий модуль, эксплуатируемый преимущественно в условиях многократного термо-циклирования. Известный модуль содержит полупроводниковые ветви n- и p-типов проводимости, соединенные коммутационными шинами с теплообменными пластинами, при этом, согласно формуле изобретения, шины соединены с пластинами посредством так называемого «теплоконтактного соединения». «Теплоконтактные соединения» выполняют в виде клеевого компаунда. Известный термоэлектрический охлаждающий модуль обладает недостаточной степенью надежности и стабильности при работе при повышенных температурах ввиду использования одного и того же по составу

клеевого компаунда к двум разнородным по своим теплофизическим свойствам материалам: коммутационной шине и теплообменной пластине. В результате снижения предела прочности связи компаунда с конструкционными элементами модуля при повышении температуры до 120°С более чем в 1,8-2 раза по сравнению с этим же параметром при комнатной температуре и существенной разницы в коэффициентах теплового расширения, возникающие механические напряжения в условиях смены тепловой нагрузки приводят к отслаиванию коммутационных шин. Отслаивание коммутационных шин также проявляется при сборке модулей с использованием высокотемпературных припоев, например, Sn-Sb, что снижает ресурс работы и термостойкость модулей. Кроме того, конструкция известного устройства не учитывает влияние температуры и толщин слоев коммутационных между термоэлектрическим материалом и коммутационной шиной на надежность работы устройства.

В основу данной полезной модели поставлена задача разработки такого термоэлектрического охлаждающего модуля, который позволил бы повысить надежность устройства, т.е. увеличить среднее время работы в 1,5-1,7 раза до возникновения отказа при эксплуатации модуля при температурах 150°С и выше в условиях многократного термоциклирования и так называемых тепловых ударов. Решается также проблема снижения величины контактного сопротивления расширения области применения модуля.

Поставленная задача решается тем, что в термоэлектрическом охлаждающем модуле, включающем матрицу из термоэлектрических пар, каждая из которых образованна полупроводниковым материалом n- и p-типов проводимости, связанных между собой электрически в серии с помощью коммутационных шин и расположенных в виде сэндвич-структуры между двумя теплопроводящими пластинами, между шинами и пластиной расположены слой металлоорганического соединения со стороны шины и слой материала на силиконовой основе.

Кроме того, между термоэлектрическими парами и коммутационными шинами расположено многослойное покрытие, состоящее из слоя молибдена толщиной 0,05-1 мкм, слоя титана или алюминия толщиной 1-3 мкм, слоя никеля толщиной 4-6 мкм и слоя сплава Sn-Bi толщиной 4-6 мкм. Толщина слоев подобрана таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить необходимую адгезионную прочность покрытия с полупроводниковым материалом и антидиффузионные свойства, а с другой стороны - компенсировать влияние температурных коэффициентов расширения и, соответственно, снизить возникающие при работе модуля механические напряжения в системе полупроводниковый материал - коммутационная шина.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом, где на фиг.1 приведена схематично конструкция термоэлектрического охлаждающего модуля.

На фиг.1 введены следующие обозначения: 1,2 - теплопроводящие пластины; 3 - слой материала на силиконовой основе; 4 - слой металлоорганического соединения; 5 - коммутационные шины; 6, 7 - выводные шины; 8, 9 - термоэлектрические пары.

Сущность данной полезной модели состоит в том, что термоэлектрические пары, образованные из полупроводникового материала n- и p-типа проводимости соединены электрически в серии с помощью коммутационных шин и термически в параллели. Введение между шинами и теплопроводящей пластиной адгезионного слоя металлоорганического соединения со стороны шины и слоя силиконового материала позволяет повысить надежность работы устройства в условиях многократного термоциклирования.

Две теплопроводящие пластины определяют либо холодную сторону, либо горячую сторону устройства в зависимости от полярности прикладываемого напряжения. При подаче положительного потенциала к n-типу термоэлектрического материала, электроны переходят от p-типа к n-типу материала, при этом температура одной из пластин будет снижаться по мере

поглощения тепла. Степень охлаждения пропорциональна величине тока и количеству термоэлектрических пар в матрице, при этом охлаждение происходит, когда электроны переходят с низкого энергетического уровня в материале p-типа проводимости на более высокий энергетический уровень в материале n-типа проводимости.

Принцип работы данного устройства состоит в том, что к выводным шинам 6 и 7 термоэлектрического охлаждающего модуля прикладывают постоянное напряжение. При прохождении тока через термоэлектрические пары 8 и 9 на одной из теплопроводящих пластин 1 и 2 поглощается некоторое количество теплоты, а на другой пластине выделяется некоторое количество теплоты в соответствии с эффектом Пельтье.

Способ изготовления данного устройства включает выполнение следующих операций. Предварительно коммутационные шины укладывают в специальные ячейки и наносят на них с одной стороны адгезионный слой металлоорганического соединения в виде жидкого раствора и выдерживают до полного его высыхания при комнатной температуре. В качестве металлоорганического соединения может быть использован клей под торговой маркой «Пентаэласт» П-12Э. Далее на поверхность теплопроводящей пластины наносят слой вязкотекучего материала на силиконовой основе. Затем теплопроводящую пластину с нанесенным слоем поджимают к коммутационным шинам со стороны, покрытой адгезионным слоем, и выдерживают до отвердения слоя силиконового материала. На шины с помощью трафарета наносят припойную пасту (на фиг.1 не показана). Термоэлектрический материал p- и n-типов проводимости последовательно укладывают в ячейки установочной решетки, после чего присоединяют пластину с нанесенными слоями к шине припойной пастой и спаивают полупроводниковый материал с коммутационными шинами. Затем на вторую теплопроводящую пластину припаивают коммутационные шины через металлизированные площадки на поверхности теплопроводящей

пластины. С использованием трафарета наносят на коммутационные шины припойную пасту, присоединяют к уже выполненной сборке и припаивают к полупроводниковому материалу.

Использование данной полезной модели приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая изготовление термоэлектрического модуля со значительно увеличенной надежностью, особенно в части, касающейся его использования в режиме многократного термоциклирования при повышенных температурах. Использование адгезионного слоя металлоорганического вещества со стороны шины и силиконового слоя со стороны пластины позволяет повысить прочность сцепления на 50-70% коммутационных шин и теплопроводящей пластины.

1. Термоэлектрический охлаждающий модуль, включающий матрицу из термоэлектрических пар, каждая из которых образованна полупроводниковым материалом n- и p-типов проводимости, связанных между собой электрически в серии с помощью коммутационных шин и расположенных в виде сэндвич-структуры между двумя теплопроводящими пластинами, отличающийся тем, что между коммутационными шинами и теплопроводящей пластиной расположены адгезионный слой металлоорганического соединения со стороны коммутационной шины и слой материала на силиконовой основе.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между термоэлектрическими парами и коммутационными шинами расположено многослойное покрытие, состоящее из слоя молибдена толщиной 0,05-1 мкм, слоя титана или алюминия толщиной 1-3 мкм, слоя никеля толщиной 4-6 мкм и слоя сплава Sn-Bi толщиной 4-6 мкм.