Термоелектричний модуль

1. Термоелектричний модуль, що має напівпровідникові гілки n- і р-типів провідності, які з’єднані металевими комутаційними шинами, що утворюють електричне коло, який відрізняється тим, що кожна гілка (2, 3) виконана у вигляді прямої шестигранної призми, причому комутаційні шини (4) контактують з основами суміжних призм. 2. Термоелектричний модуль за п. 1, який відрізняє ться тим, що всі призми n і р-типів провідності мають однакові розміри. C2 2 (19) 1 3 81549 прямокутників, переважно форму кубів, протилежні грані яких металізовані і з'єднуються з суміжними гілками шляхом зпаювання за допомогою комутаційних шин. Недоліком відомого термоелектричного модуля є його висока вартість, що обумовлена низькою продуктивністю процесу виготовлення модуля, особливо при розмірах граней паралелепіпедів меньше 1 мм. При формі напівпровідникової гілки, яка близька до кубічної, дуже важко орієнтувати гілки в напрямку який відповідає максимальній добротності напівпровідникового матеріала (при якому металізована грань гілки розташована на горизонтальній площині). Доводиться використовува ти ручну працю складальників, а це різко знижує продуктивність процеса виготовлення термоелектричного модуля і відповідно зростає його вартість. Завданням винаходу є зниження вартості термоелектричного модуля при одночасному збільшенні продуктивності процеса його виготовлення. Для досягнення зазначеного завдання запропонована нова конструкція термоелектричного модуля, що має напівпровідникові гілки п- і р- типів провідності, які з'єднані металевими комутаційними шинами, що утворюють електричний ланцюг, при цьому кожна гілка виконана у вигляді прямої шестигранної призми і комутаційні шини контактують з основами суміжних призм. Виконання напівпровідникових гілок у формі прямих шестигранних призм дозволяє суттєво підвищити продуктивність процесу виготовлення термоелектричного модуля за рахунок автоматизації операції розміщення напівпровідникових гілок на комутаційних шинах. Використовуй роботи, які можуть орієнтувати предмет, що має різні форми поверхні в різних напрямках, можна легко зорієнтувати гілку відносно комутаційної шини, саме завдяки виконанню її у вигляді прямої шестигранної призми. Робот легко розпізнає бокові поверхні у вигляді прямокутників від основ призми, що мають форму правильних шости угольників, захватує і переміщує призму в потрібну зону комутаційної шини, на яку попередньо наносять суміш припою з флюсом, встановлюючи призму на основу. В результаті оптимальної орієнтації призми роботом і розміщення її в потрібній зоні комутаційної шини, різко пришвидшується проведення операції розміщення призм на комутаційних шинах і відповідно підвищується продуктивність процесу виготовлення термоелектричного модуля. Краше виконувати всі прямі шестигранні призми, що виготовлюються з напівпровідникових матеріалів n- і р- типів, з однаковими розмірами, оскільки у цьому випадку спрощується процес комутації за рахунок розміщення в одній площині верхніх основ усіх призм модуля (після того як їх нижні основи розміщені в другій горизонтальній площині). Краще виконувати комутаційну шину з розмірами, які перекривають повністю шестигранні основи 4 суміжних комутуємих призм, так як у цьому випадку поряд з зменшенням електричного опору при проходженні електричного струму від основ призм крізь комутаційну шин у, одночасно забезпечується підвищення рівномірності розподілення теплового потокл', що поступає на модуль і що виходить з нього. Краще напівпровідникові матеріали, з яких виконуються прямі шестигранні призми, виготовляти за допомогою зонної плавки або горячого пресування порошків відповідних напівпровідникових матеріалів, оскільки такі напівпровідникові матеріали мають максимальну термоелектричну добротність Z. Краще забезпечувати термоелектричний модуль електроізоляційними платами, які виготовлені з високотеплопровідного матеріала, розміщуючи в модулі протилежні поверхні плат паралельно одна одній. При цьому комутаційні шини переважно розміщувати в контакті з платами (наприклад, за допомогою напилення матеріала комутаційних шин на поверхню плати крізь відповідний трафарет), так як за рахунок високої теплопровідності плат забезпечується рівномірне розподілення теплового потока по всім призмам і відповідно підвищується ефективність термоелектричного модуля. Краще забезпечувати термоелектричний модуль каркасом, що виготовлений з електроізоляційного матеріали з низкою теплопровідністю, що має форму ґрат (наприклад, що має форму бджолиних стільників) з крізними чашечками, в яких розміщуються шестигранні гілки. В такому модулі при порівняно невеликих втратах тепла між протилежними платами вдається суттєво підвищити механічну міцність термоелектричного модуля. Одночасно прискорюється процес розміщення шестигранних призм на комутаційних шинах при виготовленні модуля, що сприяє зниженню його вартості. В подальшому запропонований винахід пояснюється конкретними прикладами його виконання і доданими кресленнями, на яких: Фіг.1 зображує загальний вид термоелектричного модуля (в ізометрії), що споряджений електроізоляційними платами; Фіг.2 зображує загальний вид термоелемента (вид з лицьової сторони), що розміщений між ділянками електроізоляційних плат; Фіг.3 зображує каркас з електроізоляційного матеріала, що має низьку теплопровідність, що виконай у формі ґрат з крізними чашечками, для розміщення шестигранних призм; Фіг.4 зображує заготовку з напівпровідникового матеріалу, що виконана у формі диска, з якого виготавлюють прямі шестигранні призми (з зазначенням трьох напрямків послідовної різки -1,11 і 111 для отримання гілки зазначеної форми. Термоелектричний модуль 1 (Фіг. 1) має напівпровідникові гілки 2, виконані з матеріалу nтипа провідності (негативний тип провідності), що мають форму прямих шестигранних призм, напівпровідникові гілки 3, що виконані з матеріалу р-типа провідності (позитивний тип провідності), що має форму прямих шестигранних призм, 5 81549 комутаційні шини 4, що виконані з метала, які звичайно приєднуються до гілок за допомогою припою (шари припою не вказані), крізь додатковий шар металу (не вказаний), що нанесений на основи призм, металеві виводи 5 і 6 для підведення і (або) відведення електричного струму, електроізоляційні плати 7 і 8 (Фіг.2), що виготовлені з високотеплопровідного матеріала, каркас 9 (Фіг.3) з електроізоляційного матеріалу, що має низьку теплопровідність, що мас форму ґрат з крізними чашечками 10 для розміщення шестигранних призм, заготовка у формі диска 11 (Фіг.4), що ви готовлена з напівпровідникового матеріалу. Металеві комутаційні шини, що з'єднуються з напівпровідниковими гілками 2,3 утворюють електричний ланцюг. При невеликій кількості гілок 2,3 в модулі їх з'єдн ують послідовно. При значній кількості гілок 2,3, що входять в склад модуля 1 (десятки, сотні), для підвищення експлуатаційної надійності використовують паралельне, паралельно-послідовне і послідовнопаралельне з'єднання гілок 2,3, що входять в склад електричного ланцюга схеми з'єднання його гілок. Основи призм 2,3 звичайно приєднують до металевих комутаційних шин 4 за допомогою припою (не вказаний), при цьому попередньо на шостіугольні основи призм 2,3 наносять тонкий (520мкм) шар метала, наприклад, нікелю для попередження дифузії напівпровідникового матеріалу гілок і компонентів припою в комутаційній шині. Напівпровідникові гілки 2 і 3, що мають форму прямих шестигранних призм, можуть бути виготовлені різними способами. Наведемо один з них, що мас підвищену продуктивність виготовлення гілок вказаної форми. Одночасно наведемо спосіб виготовлення модуля. Методом зонного плавлення готують зливки з високоефективних напівпровідникових матеріалів (звичайно це трійні сплави на основі телуріда вісмута – [см. Анатычук Л.И. «Термоэлементы и термоэлектрические устройства», Київ, Видавництво «Наукова думка», 1979, с.с. 218-220] у формі прутків діаметром 20-30мм. Прутки ріжуть на диски, товщина яких дорівнює висоті гілки, наприклад, 1 мм. Металізують плоскі поверхні дисків з обох сторін. Потім диски кріплять до основи (наприклад, приклеюють) і проводять різку диска в трьох напрямках (см.фіг.4), повертаючи основу з диском перед кожною наступною різкою на 60 градусів. Після від'єднання отриманих прямих шостіграних призм від основи, за допомогою робота, що реагує на форму предметів, (наприклад, робота марки ЕСМ-93, фірми "MDC", Японія) призму встановлюють основою в потрібній зоні комутаційної шини, на поверхню якої попередньо наносять суміш припою і флюсу. Після встановлення за допомогою робота усі х призм п- і р- типів провідності 2,3 на поверхні нижніх комутаційних шин 4, на вер хніх основах зазначених призм розміщують решту комутаційних шин 4 з нанесеними шарами пасти з припою і флюсу. Здійснюють нагрівання отриманої зборки, по завершенні якого комутаційні шини 4 за допомогою припою приєднуються до металевих 6 шарів, нанесених на основи гілок 2,3, що виконані у вигляді прямих шестигранних призм. На цьому завершується процес виготовлення термоелектричного модуля 1. Звичайно, комутаційні шини 4, які виготовлюються з міді, срібла і матеріалів, що мають високу електропровідність, попередньо приєднують до електроізоляційних плат 7,8, які виконуються, як правило, з Аl2О3, АІ Nb, матеріалів, що мають високу теплопровідність. Електричні виводи 5 і 6 звичайно припаюють до кінцевих зон крайніх комутаційних шин 4. Для виготовлення каркасу 9 використовують електроізоляційний матеріал, що має низьку теплопровідність, наприклад, піноскло, пінополіімід і т.п. матеріали. Роботу заявленого термоелектричного модуля 1 розглянемо в режимі, при якому він використовується для охолодження будь-якого предмета. Після розміщення предмета, що охолоджується (не зазначений), на верхній поверхні плати 7 і підключення виводів 5 і 6 термоелектричного модуля 1 до джерела постійного струму (не зазначен) електричний струм пропускається крізь напівпровідникові гілки 2,3 і за рахунок ефекту Зеебека на спаях цих гілок, що звернені до плати 7, відбувається поглинання теплової енергії, яка відводиться від предмета, що охолоджується. Предмет, що розміщений на поверхні плати 7 охолоджується до потрібної температури за допомогою регулювання величини сили струму, що пропускається крізь напівпровідникові гілки 2,3 термоелектричного модуля 1. Регулятор величини стр уму, що пропускається, не зазначений. В порівнянні з відомими термоелектричними модулями, розміри гілок яких близько 1мм, заявлений термоелектричний модуль має вартість більше ніж на 20% нижчу. Крім того продуктивність процесу виготовлення заявленого термоелектричного модуля значно збільшилась за рахунок практично повної автоматизації всіх операцій способа виготовлення модуля. Запропонований винахід знайде застосування в термоелектричних генераторах і/або в термоелектричних охолоджуючих пристроях, переважно, що мають незначні розміри напівпровідникових гілок (близько 1мм), тобто, що мають висоту гілок, радіус або розмір грані основ гілок, що знаходиться у діапазоні 0,3-1,5мм. 7 81549 8