Термоелектричний модуль

1 Термоелектричний модуль, що містить у своєму складі термоелементи, розміщені між несучими холодною та гарячою пластинами, який відрізняється тим, що щонайменше одна з несучих пластин виконана у вигляді теплової труби 2 Термоелектричний модуль за п 1, який відрізняється тим, що щонайменше одна із несучих пластин виконана у вигляді термосифона Термоелектричний модуль відноситься до галузі охолоджувальної техніки і може бути використаний при конструюванні систем охолодження елементів електронно-обчислювальної техніки, напівпровідникових приладів, зокрема напівпровідникових лазерів тощо Відома конструкція термоелектричного охолоджувача, який складається з трьох каскадів термоелементів, електроізоляційної теплопоглинаючої пластини з розмірами 3,5x3,5 мм, на якої встановлено фоточутливий елемент, та гарячої пластини, яка знаходиться в контакті з корпусом пристрою (див статтю авторів Алиева Т Д , Ахундова Д Ш Абдинов Д Ш «Термоэлектрический охладитель на уровень температуры - 200 К для инфракрасных фотоприемников» в журналі «Приборы и техника эксперимента», 1999 р , с 164165) Такий охолоджувач забезпечує холодопродуктивність 100 мВт, температуру теплопоглинаючоі поверхні на рівні 200-205 К при температурі оточуючого середовища - 295 К, струмі живлення троізоляційними керамічними пластинами (холодною та гарячою), виконаними із теплопровідної берилієвої кераміки ( див книгу авторів Вайнер А Л , Моисеев В Ф Совмещенные приборы криотермоэлектрической электроники - Одесса Студия «Негоциант», 2000 - 100 с , рис 6 П на с 92) Поверхні пластин металізовані, що дозволяє закріплювати на модуль прибори за допомогою паяння Розміри термоелектричного модуля, наприклад типу М6-127 складають 40x40x3,8 мм (див табл 1 П на с 86 зазначеної книги) Максимальний струм живлення 8 А, максимальна напруга живлення 15,4 В Зазначений термоелектричний модуль забезпечує максимальний перепад температури між холодною та гарячою керамічними пластинами 68°С та максимальну холодопродуктивність 68 Вт КІЛЬКІСТЬ термоелементів в модулі 127 Недоліком відомого пристрою є те, що при встановленні мініатюрного електронного елемента, наприклад лазерного напівпровідникового кристала, температуру якого потрібно підтримувати при заданій температурі, в центрі холодної керамічної пластини, теплота, що виділяється лазерним кристалом, передається теплопровідністю холодної пластини по її поверхні до всіх 127 віток термоелементів У наслідок термічного опору кераміки установлюється градієнт температури по поверхні холодної керамічної пластини, що збільшує енергоспоживання модуля та знижує його холодопродуктивність Другим недоліком відомого пристрою є значний термічний опір на шляху проходження теплового потоку високої ЩІЛЬНОСТІ від напівпровідникового кристалу з незначними гео 2 А, потужності, що споживається, 4,5 Вт КІЛЬКІСТЬ термоелементів - 29 Охолоджувач можна використовувати для охолодження інших радіоелементів із тепловим навантаженням до 100 мВт Недоліком пристрою є складність його конструкції, унаслідок чого збільшується витрати на його виготовлення та зменшується надійність у роботі в умовах експлуатації Відома типова конструкція більш простого (однокаскадного) термоелектричного модуля, яка містить у своєму складі термоелементи, з'єднані між собою за допомогою мідних контактних пластин у послідовне термоелектричне коло, які розміщені між двома несучими елек со 4317 метричними розмірами, наприклад 0,5x0,3x0,2 мм, через кераміку з обмеженою теплопровідністю, в області, що прилягає до кристалу. Це призводить до необхідності забезпечення підвищеного перепаду температури між холодною та гарячою пластинами, щоб забезпечити задану температуру кристала, та до відповідного збільшення енергоспоживання. Найбільш близьким до запропонованого за сукупністю ознак і технічному результату є пристрій прототип, що відомий із статті «Термоэлектрические модули на металлическом основании и устройства на их основе», надрукованої в журналі «Приборы», 2002 р., №11. с. 16-17. Термоелектричний модуль-прототип містить у своему складі термоелементи, з'єднані між собою за допомогою контактних пластин у термоелектричне коло, які розміщені між двома несучими металічними пластинами, що дозволило підвищити холодопродуктивність та експлуатаційну надійність термоелектричного модуля, суттєво розширити можливості конструкційних рішень та прискорити у 2-4 рази час виходу на режим. Використання теплопровідних металічних пластин замість керамічних дало змогу збільшити максимальні геометричні розміри термомодуля. Так, наприклад, термоелектричний модуль типу MD1 -125-2,0/1,5 з металічними пластинами має розміри 48x60x3,5 мм і забезпечує максимальну холодопродуктивність 116,8 Вт, а максимальний перепад температур між холодною та гарячою пластинами 71 °С. Максимальний струм живлення - 12,9 А. максимальна напруга живлення -15,6 В. Недоліком термоелектричного модуляпрототипу є обмежені холодопродуктивність та максимальні геометричні розміри несучих металічних пластин, що обумовлено збільшенням градієнта температури уздовж пластин при збільшенні їх довжини та ширини (унаслідок існуючого термічного опору тонких металічних пластин) при розміщенні мініатюрного охолоджуваного електронного елемента в центрі холодної пластини. В основу технічного рішення, що заявляється, поставлено задачу створити такий термоелектричний модуль, який би шляхом нового виконання несучих пластин забезпечив підвищення холодопродуктивності та розширення можливих конструктивних рішень, у т.ч. збільшення розмірів (довжини та ширини) несучих пластин без збільшення градієнта температури уздовж них при розміщенні охолоджуваного електронного елемента у центрі поверхні холодної пластини, Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в термоелектричному модулі, який містить у своєму складі термоелементи, розміщені між несучими холодною та гарячою пластинами, щонайменш одна з них виконана у вигляді теплової труби або термосифону. Суть та принцип дії запропонованого термоелектричного модуля пояснюється кресленнями. На фіг. 1 наведений загальний вигляд термоелектричного модуля. На фіг. 2 дан вертикальний розріз по лініі А-А термоелектричного модуля з холодною пластиною, виконаною у вигляді теплової труби. На фіг. З наведено вертикальний розріз термоелектричного модуля з розташуванням холодної пластини знизу, а гарячої - зверху, при виконанні холодної пластини у вигляді термосіфона. На фіг 4 зображено вертикальний розріз термоелектричного модуля, у якого і холодна і гаряча пластини виконані у вигляді теплових труб, холодна пластина зверху. Термоелектричний модуль (див. фіг. 1) містить у своєму складі термоелементи 1. з'єднані між собою електропровідними контактними пластинками 2 у термоелектричне коло, які розміщені між несучою холодною пластиною 3 та несучою гарячою пластиною 4. До несучої холодної пластини З приєднується із забезпеченням теплового контакту електронний елемент 5, наприклад лазерний діод, температуру якого потрібно підтримувати у заданому температурному діапазоні, а до несучої гарячої пластини 4 може бути приєднано із забезпеченням теплового контакту, наприклад припаяно, радіатор б для розсіювання теплоти у оточуючий простір. Для забезпечення надійного приєднання електронного елемента та радіатора до зовнішнє!' поверхні несучих пластин на їхню поверхню можуть бути нанесені металізована плівка та шар припою. Для під'єднання до джерела струму термоелектричний модуль містить токові виводи 7. Щонайменш. як одна несуча пластина, наприклад холодна пластина 3. виконана у вигляді теплової труби (див. фіг. 2). При цьому вона може бути виконана, наприклад, із теплопровідної (берилієвої) кераміки, із алюмінієвого сплаву, міді тощо. Теплова труба складається із полого герметичного попередньо вакуумованого корпусу, на внутрішній поверхні якого виконано шар 8 капілярного матеріалу, наприклад, у вигляді спечених порошків або волокон, канавок, шероховатостей, сіток тощо. Канавки або пори шару 8 капілярного матеріалу насичені рідким теплоносієм, наприклад, етиловим спиртом, аміаком, ацетоном тощо. При виконанні несучої пластини у вигляді термосифона (див. фіг. 3) на внутрішній поверхні його корпуса шар капілярного матеріалу не нанесено. При виконанні несучої гарячої пластини у вигляді теплової труби (див. фіг. 4) її розміри (довжина та/або ширина) можуть бути виконані значно більшими, ніж зона контакту термоелементів 1 із несучою гарячою пластиною 4. Це дає можливість значно розвинути теплорозсіюючу поверхню радіатора 6. При цьому токові виводи 9 мають вигнуту форму. У інших варіантах виконання на холодній пластині 3 може бути встановлено декілька електронних елементів, температуру яких потрібно підтримувати на заданому рівні. Електропроводці контактні пластинки 2 для електричного з'єднання термоелементів у термоелектричне коло нанесені безпосередньо на поверхнях керамічних несучої холодної пластини З та несучої гарячої пластини 4. При виконанні несучих холодної та гарячої пластин із електропровідного матеріала (алюмінієвого сплава, міді тощо) електропровідні контактні пластинки 2 нанесені на несучі пластини через шар електроізоляційного матеріалу. 4317 Термоелектричний модуль працює слідуючим чином. Під впливом теплоти, що виділяється в електронному елементі 5, рідкий теплоносій у канавках чи порах шару 8 капілярного матеріалу на внутрішній поверхні несучої холодної пластини З (фіг. 2, фіг. 4) починає випаровуватися (або кипіти). Температура насиченої пари у зоні нагріву підвищується і перевищує температуру протилежної стінки несучої холодної пластини, яка знаходиться у тепловому контакті із холодними спаями термоелементів 1 і від них охолоджується. Насичена пара конденсується на внутрішній холодній поверхні несучої пластини 3 і віддає їй заховану теплоту пароутворення. Конденсат під дією капілярних сил по шару 8 капілярного матеріалу повертається у зону нагріва, де встановлено охолоджуваний електронний елемент. Цикл теплопередачи шляхом випаровуванняконденсації теплоносія повторюється. При виконанні несучої холодної пластини 3 у вигляді термосифону (фіг. 3) повернення конденсата у зону нагріву здійснюється за рахунок сили тяжіння. Тиск насиченої пари, а відповідно і температура, однакові у всіх точках парового простору всередині несучої пластини 3, завдяки чому, її температура має однакове значення незалежно від відстані між охолоджувним електронним елементом і любим термоелементом модуля. Теплота, що виділена при цьому на поверхні несучої холодної пластини 3, яка контактує з термоелементами 1, передається від їхніх холодних спаїв до гарячих спаїв, а від останніх - до контактної поверхні несучої гарячої пластини 4. Далі теплопровідністю (при виконанні гарячої пластини із суцільного матеріала, див. фіг. 2 та фіг. 3) або за допомогою випаровувально-конденсаційного циклу всередині несучої гарячої пластини 4 (при виконанні її у вигляді теплової труби, див. фіг. 4), теплота передається зовнішній поверхні несучої гарячої пластини та радіатору 6, який контактує з нею. Радіатор 6 розсіює теплоту конвекцією та частково випромінюванням у оточуюче середовище, наприклад, у повітря. Завдяки передачі теплоти на найбільш теплонавантаженій дільниці, від електронного елемента 5 до холодної пластини 3 шляхом високоефективного замкненого випаровувально-конденсаційного циклу забезпечується зниження термічного опору та перепаду температури в зоні нагріву. Завдяки цьому потрібен менший перепад температури між несучими холодною та гарячою пластинами, що дозволяє підвищити холодопродуктивність термоелектричного модуля. Високий коефіцієнт тепловіддачі при конденсації пари на внутрішній поверхні несучої гарячої пластини 4, яка контактує із гарячими спаями термоелементів 1, також сприяє підвищенню холодопродуктивності термоелектричного модуля. Підтримання температури електронного елемента на заданому рівні при зміні параметрів оточуючого повітря забезпечується завдяки зворотньому зв'язку відомими методами. Наприклад, для підтримування заданої температури лазерного діода та стабілізації її у заданих межах використовують зворотній зв'язок з блоком керування та живлення термоелектричного модуля через фотодіод зворотнього зв'язку. Завдяки низькій інерційності процесів теплопередачі шляхом випаровувальноконденсаційного циклу зменшується час виходу пристрою на робочий режим, що розширює функціональні можливості пристрою. Відвод теплоти шляхом випаровувальноконденсаційного циклу з малим термічним опором на найбільш теплонавантаженій дільниці знижує температуру електронного елемента і підвищує його надійність. Таким чином, запропонований термоелектричний модуль забезпечує підвищення холодопродуктивності та розширення можливих конструктивних рішень, у т.ч. збільшення розмірів (довжини та ширини) несучих пластин без збільшення градієнта температури уздовж них при збільшенні розмірів пластин. Заявлена конструкція дозволяє розміщувати один або декілька охолоджуваних електронних елементів як у центрі поверхні холодної пластини, так і в любому іншому місті на її поверхні, а також виконувати гарячу пластину та радіатор на ній значно більших розмірів, ніж у прототипа, що розширює конструктивні можливості використання заявленого термоелектричного модуля. Запропонований термоелектричний модуль є новим, промислове придатним і має винахідницький рівень. 4317 A A 5 3 Фіг 2 4 8 6 4 6 ) ъ 1 2 1 5 Фіг. З 3 8 5 Фіг. 4 Комп ютерна верстка М Клюкін Підписне Тираж 37 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45 м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ-42, 01601