Термоелектричний термостатуючий пристрій для елементів твердотільної електроніки

Реферат: Термоелектричний термостатуючий пристрій для елементів твердотільної електроніки складається з термоелектричної батареї Пельт'є, системи теплоскиду та елемента, що термостатується. При цьому тепловий контакт між згаданими елементами пристрою здійснюється за допомогою гнучких теплопровідних сифонів. UA 83690 U (54) ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ ТЕРМОСТАТУЮЧИЙ ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЕЛЕМЕНТІВ ТВЕРДОТІЛЬНОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ UA 83690 U UA 83690 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі термоелектричних приладів і знайде застосування в радіоелектроніці для термостатування різноманітних елементів, наприклад, комп'ютерних процесорів, малих, середніх та великих інтегральних схем, комп'ютерних процесорів, потужних НВЧ-діодів, лазерних, гетеросвітловипромінювачів та фотоелементів тощо, при їх розташуванні в апаратурі щільної упаковки. Відомі термостатуючі пристрої [1], що містять термоелектричні батареї Пельт'є з корпусом, який має внутрішню виїмку. Вони застосовуються для термостатування різних виробів інтегральних схем, виробів ІЧ-техніки та інших приладів - функціонуючих в температурному інтервалі 250330 К, які розташовані в апаратурі вільного розташування. Це, в загальному випадку, призводить до збільшення масогабаритних розмірів електронної апаратури на їх основі. Із існуючих аналогів найбільш близьким за технічною суттю є термоелектричний охолоджувач [2]. Він складається з кулера та теплорозсіючого радіатора, який знаходиться у тепловому контакті з нижньою, гарячою гранню однокаскадної термоелектричної батареї Пельт'є. Верхня, холодна грань цієї батареї, у свою чергу, знаходиться в тепловому контакті з таким елементом твердотільної електроніки, як комп'ютерний процесор типу Intel Core 17-800. Цей пристрій підтримує процесор у робочому стані в заданому діапазоні температур тільки при обробці оптимальної величини потоку інформаційного навантаження. У випадку, коли процесор працює у системах зв'язку, де, як відомо, часова залежність величини потоків інформаційного навантаження характеризується великою динамікою, яка при перевантаженні призводить до екстремального виділення тепла в об'ємі процесора та, як наслідок, до значного його перегріву. В свою чергу, це обумовлює появу зі сторони термоелектричної батареї скачків "від'ємного" тепла Пельт'є, що, в кінцевому рахунку, веде до значної нерівномірності розподілу температури та виникнення великих механічних напруг об'єму кристала процесора, які далі руйнують його. Це, в цілому, призводить до виходу комп'ютера зі строю. Крім цього тепло, що виділяється процесором та розсіюючим кулером у внутрішньому об'ємі комп'ютера, є причиною перегріву інших складових елементів комп'ютера - материнської плати, оперативної пам'яті та ін. Це підвищує температурну та часову нестабільність в роботі комп'ютерних систем. 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, з одного боку, зростанням надійності роботи апаратури, з другого - зменшеним значенням теплової постійної часу. Поставлена задача вирішується тим, що в термоелектричному термостатуючому пристрої, який складається з термоелектричної батареї Пельт'є, системи теплоскиду та електротвердотільної електроніки, тепловий контакт між робочими гранями термоелектричної батареї Пельт'є, системою теплоскиду та елементом, що термостатується, здійснюється за допомогою гнучких теплопровідних сифонів. 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 р- (1) і n- (2) віток термоелектричної батареї, які розділені гарячими та холодними електротеплокомутаційними елементами 3 і 4 відповідно, що з'єднано з гнучкими теплопровідними сифонами 5. Ці сифони 5 під'єднано до електроізольованих теплокомутуючих роз'ємів 6, 7. Роз'єми 7, в свою чергу, знаходяться у тепловому контакті з металевою контактною площадкою, з електроізольованими одна від одної контактними площадками 8, виконаними у вигляді нанесених на керамічні пластини плівок металів чи сплавів, яка розташована на керамічному теплопереході 9. Протилежна грань керамічної площадки знаходиться у тепловому контакті з елементом твердотільної електроніки 11, що термостатується, наприклад комп'ютерним процесором. Електричний струм через термоелектричну батарею, яка складається з віток 1 та 2, пропускається за допомогою електричних контактів 10. Тепловий потік, який відкачується від елементу твердотільної електроніки 11, разом з "позитивними" теплотами Джоуля та Пельт'є відводиться зовнішньою 1 UA 83690 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 системою теплоскиду, яка розташована за межами робочого об'єму відповідної апаратури, що застосовує елемент 11. Вітки 1, 2 термоелектричної батареї виготовляються з кристалів телуриду вісмуту, які мають -3 -3 термоелектричну добротність Z=3,2·10 К . Електротеплопереходи 3, 4 виготовлюються з міді, поверхня яких має антидифузійне покриття з нікелю. Як матеріал для ізольованих теплокомутуючих роз'ємів 6 використовували кераміку 22ХС. Гнучкі сифони 5 виготовлялися з багатожильного мідного кабелю, який легко згинається та приймає необхідну геометричну форму у внутрішньому об'ємі апаратури. Зовнішня поверхня сифонів 5 містить теплоізолюючий шар з теплоізолу. Система теплоскиду виконувалася на основі водяного охолоджуючого радіатора, який розміщується за межами апаратури. Теплоперехід 9 теж виготовлявся з кераміки 22ХС. Запропонований пристрій працює наступним чином: в нормальному робочому стані та оптимальному робочому діапазоні температур елемент твердотільної електроніки 11 у вигляді комп'ютерного процесора (інтегральної схеми, НВЧ-лазерного або світловипромінюючого діода та інше) виділяє деяку теплову потужність. Ця теплова потужність послідовно проходить через електроізольовані теплокомутуючі роз'єми 6, теплові сифони 5 та поглинається верхньою гранню термоелектричної батареї, яка складається з віток 1, 2 та переходів 3, 4, і далі через нижню грань скидається знову за допомогою нижніх теплопереходів 6 та сифонів 5 у систему теплоскиду 12. У випадку підвищення теплової потужності елемента твердотільної електроніки 11 або температури оточуючого середовища, в залежності від їх значень, змінюється величина струму, який протікає через термоелектричну батарею. Це веде до збільшення величини "від'ємного тепла", яке виділяється на верхній грані батареї, відповідного поглинання та компенсації зміни температури об'єму елемента 11. В свою чергу, "позитивне" тепло нижньої грані термоелектричної батареї скидається у зовнішню систему теплоскиду 12. Випробування експериментального зразка запропонованого термоелектричного термостатуючого пристрою показали його дієздатність в широких діапазонах температурних та теплових перевантажень. Його застосування дозволяє підвищити надійність роботи апаратури із щільним розташуванням різноманітних елементів твердотільної електроніки, які застосовуються, наприклад в системах зв'язку при зменшенні теплової постійної часу до 40-60 хв. Джерела інформації: 1. Патент RU 57366 U1. Термостат. Данилов А.В. и др. Б.И. 10.10.2006 г. 2. Семенюк В.А., Дехтярук Р.И. Термоэлектрическое охлаждение мощных процессоров. // Термоэлектричество.-2010. - № 4. - С. 71-81. 3. Матиега В.М., Даналакий О.Г., Математическая модель полупроводникового устройства для термостатирования компьютерных устройств в режиме включения-выключения. //Электронное моделирование. 2010. - Т. 32. - № 3. - С. 1-14. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Термоелектричний термостатуючий пристрій для елементів твердотільної електроніки, що складається з термоелектричної батареї Пельт'є, системи теплоскиду та елемента, що термостатується, який відрізняється тим, що тепловий контакт між робочими гранями термоелектричної батареї Пельт'є, системою теплоскиду та елементом, що термостатується, здійснюється за допомогою гнучких теплопровідних сифонів. 2 UA 83690 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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