Термоелектричний термостатуючий пристрій для елементів твердотільної електроніки

Реферат: UA 79662 U UA 79662 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до термоелектричних приладів і знайде застосування в твердотільній електроніці для термостатування різноманітних елементів, наприклад малих, середніх та великих інтегральних схем, комп'ютерних процесорів, потужних НВЧ-діодів, лазерних та гетеросвітловипромінювачів тощо. Відомі пристрої [1], що містять термоелектричні батареї Пельтьє з корпусом з внутрішньою виїмкою. Вони застосовуються для термостатування різних виробів електроніки - інтегральних схем, виробів ІЧ-техніки та інших приладів в температурному інтервалі 250÷330 К, які працюють без перевантаження. Із існуючих аналогів найбільш близький за технічною суттю є термоелектричний охолоджувач мікропроцесорів [2]. Він складається з кулера та теплорозсіюючого радіатора, який знаходиться у тепловому контакті з нижньою гарячою гранню однокаскадної термоелектричної батареї Пельтьє. Верхня, холодна грань цієї батареї, у свою чергу, знаходиться в тепловому контакті з комп'ютерним процесором типу Intel Core 17-800. Такий пристрій підтримує процесор у робочому діапазоні температур тільки у випадку обробки оптимальної величини потоку інформаційного навантаження. У випадку, коли процесор працює, наприклад у системах зв'язку, де, як відомо, часова залежність величини потоків інформаційного навантаження характеризується великою динамікою, яка в випадках перевантаження призводить до екстремального виділення тепла в об'ємі процесора та, як наслідок, до значного його перегріву. Це, в свою чергу, обумовлює появу зі сторони термоелектричної батареї стрибків "від'ємного" тепла Пельтьє, що веде до значної нерівномірності розподілу температури та виникнення великих механічних напруг об'єму кристала процесора, які руйнують його, що призводить в цілому до виходу комп'ютера з ладу. Для вирішення цієї проблеми між термоелектричною батареєю та елементом твердотільної електроніки в деяких випадках розміщують теплові демпфери у вигляді одно-, дво- та трисекційних металевих корпусів, заповнених відповідними наповнювачами, що характеризуються наявністю прихованої теплоти плавлення/застигання. В цьому випадку величина механічних напруг об'єму кристалу знижується, що обумовлює зростання надійності апаратури в цілому [3]. Але застосування теплових демпферів значно збільшує величину теплової постійної таких пристроїв, особливо постійну часу процесу застигання, яка досягає значень 160-220 хвилин. Тому досить актуальною є задача створення термостатуючого пристрою для елементів твердотільної електроніки, який би характеризувався зменшеним значенням теплової постійної часу. Поставлена задача вирішується тим, що в термоелектричному термостатуючому пристрою з теплорозсіюючого радіатора, термоелектричної батареї Пельтьє, теплового трисекційного демпфера і елемента твердотільної електроніки, який термостатується, термоелектрична батарея Пельтьє має три каскади, причому охолоджуюча грань третього каскаду цієї батареї знаходиться у тепловому контакті з усією поверхнею нижньої торцевої грані теплового демпфера, а холодні грані другого та першого каскадів цієї батареї за допомогою відповідних металевих теплопроводів з'єднано по периметру бічної грані теплового демпфера в місцях розташування другої та першої внутрішніх перегородок відповідно. В корисній моделі запропоновано принципово нове рішення, яке полягає в тому, що в пристрої, який складається з теплорозсіюючого радіатора, термоелектричної батареї Пельтьє, теплового демпфера і елемента твердотільної електроніки, який охолоджується, термоелектрична батарея Пельтьє має три каскади, при цьому охолоджуюча грань третього каскаду термоелектричної батареї знаходиться у тепловому контакті з усією поверхнею нижньої торцевої грані теплового демпфера, а охолоджуючі грані другого та першого каскадів цієї батареї за допомогою відповідних металевих теплопроводів з'єднано по периметру бічної грані теплового демпфера в місцях розташування другої та першої внутрішніх перегородок відповідно. Промислове використання запропонованого пристрою не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудування. На кресленні представлена схематична конструкція запропонованого пристрою. Він складається з металевого трисекційного корпусу 1 з міді, у внутрішньому об'ємі якого горизонтально, одна над одною, розташовано дві металеві перегородки 2, які утворюють в об'ємі корпусу 1 три ізольовані одна від одної секції, що заповнені наповнювачами 3, 4, 5 з різними температурами плавлення/застигання Т1, Т2 та Т3 відповідно. При цьому наповнювачі вибираються з матеріалів, які характеризуються, по можливості, великим значенням прихованої теплоти плавлення/застигання міжфазових переходів. Нижче розташована трикаскадна батарея Пельтьє, що складається з розміщених один на одному каскадів 6, 7, 8. Нижня грань корпусу 1 1 UA 79662 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 знаходиться у тепловому контакті з верхньою, охолоджуючою гранню третього каскаду 6 термоелектричної батареї Пельтьє. В свою чергу, гаряча, нижня грань третього каскаду 6 термоелектричної батареї знаходиться в тепловому контакті з теплорозсіюючим повітряним радіатором 11. Між нижньою теплоконтактною гранню корпусу 1 та верхньою охолоджуючою гранню третього каскаду батареї Пельтьє розміщено давач температури 12, що під'єднано електрично до входу терморегулятора, навантаженням якого є термоелектрична батарея Пельтьє. Елемент твердотільної електроніки 13, температура якого термостатується, розташовано на верхній робочій грані корпусу 1. Верхня охолоджуюча грань другого каскаду 7 термоелектричної батареї Пельтьє за допомогою металевого теплопроводу 9 під'єднана по периметру бічної грані корпусу 1 в місці розташування нижньої внутрішньої перегородки 2. В свою чергу, верхня охолоджуюча грань першого каскаду 8 за допомогою металевого теплопроводу 10 під'єднана до бічної грані корпусу 1 по його периметру в місці розташування верхньої внутрішньої перегородки 2. Таке теплове з'єднання призводить до прискорення охолодження теплового демпфера в режимі його застигання. Як наповнювачі 3, 4 та 5 першої, другої та третьої секцій теплового демпфера застосовуються такі речовини як парафін (Т 1=313 К), азотнокислий нікель (Т 2=329,7 К) та пальмітинова кислота (Т3=336 К). Трикаскадна термоелектрична батарея Пельтьє виконується з відповідно легованих кристалів Ві2Те3 у вигляді прямокутних гілок р- та n-типів провідності, які з'єднані електрично послідовно. Термоелектрична добротність Z кристалів, з яких виготовлено 3 -1 р- та n-гілки, має не менше Z≥3,5·10 К . Перехідний опір контактів гілок при цьому повинен 8 2 складати величину r≤10- Ом см . Як метал теплопереходів 9 та 10 застосовано мідь. Запропонований пристрій працює наступним чином: в нормальному робочому стані та оптимальному робочому діапазоні температур елемент твердотільної електроніки 13 (інтегральна схема, НВЧ-лазерний або світловипромінюючі діоди та інше) виділяє деяку потужність. Ця теплова потужність послідовно проходить через поверхню корпусу 1 з наповнювачами 3, 4, 5, третій каскад 6 термоелектричної батареї та розсіюється повітряним радіатором 11. Наповнювачі 3, 4 та 5 знаходяться при цьому в твердофазному стані, а електричний струм, що протікає через батарею, дорівнює нулю. У випадку підвищення теплової потужності елемента 13 або температури оточуючого середовища, в залежності від їх значень, починають послідовно плавитись наповнювачі 3, 4 та 5, які за рахунок прихованої теплоти міжфазових переходів здійснюють процес триступеневої температурної стабілізації елемента 13. При цьому постійна часу нагріву цього пристрою визначається як кількістю тепла, яке виділяє елемент 13, та значенням температури оточуючого середовища, так і масою наповнювачів 3, 4 та 5 і їх теплофізичними характеристиками. Слід відмітити, що в наслідок різних умов теплообміну постійна часу нагріву значно менша постійної часу остигання. Якщо кількість теплового потоку, що проходить через тепловий демпфер, перевищує загальну кількість тепла міжфазових переходів наповнювачів 3, 4 та 5, що реєструється давачем температури 12, який підключено до терморегулятора, то в цьому випадку, за допомогою терморегулятора вмикаються усі три каскади 6, 7, 8 термоелектричної батареї Пельтьє, які починають охолоджувати як нижню, так і бічну грані корпусу 1. Це призводить до прискореного застигання та поступового зниження температури елемента 13. Експериментальні дослідження дослідних зразків запропонованих пристроїв проводилися як на твердотільних інтегральних схемах, так і на оптоволоконних пристроях, які застосовуються в системах зв'язку Укртелекому міста Чернівці. Отримані результати показали, що їх використання дозволяє зменшити постійну часу охолодження на 140-160 % та збільшити інформаційне навантаження систем на 50-60 % при підвищенні експлуатаційної надійності на 10-12 %. Це, в цілому, призводить до появи значного економічного та соціального ефектів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Термоелектричний термостатуючий пристрій для елементів твердотільної електроніки, що містить теплорозсіюючий радіатор, термоелектричну батарею Пельтьє, тепловий трисекційний демпфер і елемент твердотільної електроніки, який відрізняється тим, що термоелектрична батарея Пельтьє має три каскади, причому охолоджуюча грань третього каскаду термоелектричної батареї знаходиться у тепловому контакті з усією поверхнею нижньої торцевої грані теплового демпфера, а охолоджуючі грані другого та першого каскадів цієї батареї за допомогою відповідних металевих теплопроводів з'єднано по периметру з бічною гранню теплового демпфера в місцях розташування другої та першої внутрішніх перегородок відповідно. 2 UA 79662 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3