Пристрій для комутації термоелектричного модуля

Реферат: Пристрій для комутації термоелектричного модуля на основі оснастки для розташування гілок р- і n-типів, комутаційних пластин, притискного механізму для створення контакту між торцями гілок і комутаційними пластинами. Оснастка з розташованими у необхідному порядку р- і nгілками встановлена в центрі обичайки, на зовнішній поверхні якої розміщено електричний нагрівник, а притискний механізм для створення контакту між торцями гілок і комутаційними пластинами складається з окремих для кожної гілки металевих стрижнів, які мають можливість вертикального переміщення. UA 73130 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ КОМУТАЦІЇ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОГО МОДУЛЯ UA 73130 U UA 73130 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до термоелектричного приладобудування і може бути використана для виготовлення термоелектричних модулів генерування електричної енергії. Особливістю виготовлення всіх сучасних термоелектричних модулів є те, що спочатку формують напівпровідникові гілки р - і n-типів, які далі в певному порядку з'єднують за допомогою комутаційних пластин методом паяння, зварювання або пресування. Відомий пристрій для виготовлення термоелектричного модуля з матеріалів на основі Ві 2Те3 методом паяння [1]. Пристрій складається з двох плит, між якими розташовуються гілки р- і nтипів та комутаційні пластини з попередньо нанесеними на них шарами припою. Плити стягуються між собою гвинтами з пружинами. Далі пристрій з гілками і комутаційними пластинами нагрівають до температури на 30 °C вище температури плавлення припою. За таких умов припій розплавляється і заповнює проміжки між торцями гілок комутаційними пластинами. Недоліком такого пристрою є складність контролю процесу пайки і дозування припою, що призводить до появи значних напливів припою, які в окремих гілках закорочують електричний ланцюг або скорочують робочу висоту гілок, що в свою чергу призводить до часткового теплового закорочування модуля по висоті. Окрім цього, при використанні такого пристрою і такого методу складно комутувати модуль з середньотемпературних матеріалів, робоча температура гарячої сторони яких складає 500-550 °C (наприклад, PbTe, GeTe, TAGS). Для цього термоелектричний матеріал і комутаційні пластини необхідно нагріти до 600-650 °C, що призводить до інтенсифікації окислювальних процесів, утворення оксидів і, як наслідок, підвищення контактного опору модуля. Відомий пристрій для виготовлення термоелектричного модуля, де можна одночасно використовувати м'який і твердий припої [2]. Пристрій складається з двох основних оснасток, на яких розміщені комутаційні пластини відповідно холодної і гарячої сторін модуля. Між основними оснастками розташована додаткова решітчаста оснастка, у комірках якої у необхідному порядку розміщені гілки р- і n-типів, торці гілок попередньо покриті шаром припою. Пристрій нагрівають до температури плавлення припою і після проведення процесу пайки та охолодження пристрою видаляють з модуля додаткову решітчасту оснастку. Недоліком описаного пристрою, як і в попередньому випадку, є можливість появи напливів припою і закоротки електричного ланцюга та часткового теплового закорочування модуля по висоті. Пристрій не можна використати для комутації модулів високотемпературним припоєм зі збереженням низького контактного опору модуля, оскільки при підвищених температурах зростає швидкість утворення оксидних сполук, що в цілому збільшує контактний опір паяних контактів. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є пристрій для виготовлення термоелектричного модуля, який містить оснастку, що складається з двох частин. Оснастка має комірки для розташування віток р- і n-типів та комутаційних пластин, які мають контакт з торцями цих гілок Оснастка з гілками і комутаційними пластинами установлена між електродами приладу, у якому здійснюється спікання розрядною плазмою торців гілок і комутаційних пластин. Недоліком пристрою є те, що описана конструкція оснастки не забезпечує достатній контакт між торцями гілок комутаційними пластинами, оскільки гілки модуля можуть мати різну висоту, наслідком чого є поганий контакт під час спікання. Тому при розрядному спіканні не досягається надійне зварювання торців гілок з комутаційною пластиною. Окрім цього, такий пристрій не придатний для комутації модуля, у якому гілки виготовлені з різних матеріалів, зокрема таких, що мають різну здатність до пластичної деформації під дією температури. Тому актуальним є створення пристрою для надійної комутації модулів як із низькотемпературних матеріалів, так і модулів з робочою температурою до 550-600 °C, в тому числі і з матеріалів, які мають різну термічну пластичність. Вказана задача розв'язується тим, що у пристрої для комутації термоелектричного модуля на основі оснастки для розташування гілок р- і n-типів, комутаційних пластин, притискного механізму для створення контакту між торцями гілок і комутаційними пластинами оснастка з розташованими у необхідному порядку р- і n-гілками встановлена в центрі обичайки, на зовнішній поверхні якої розміщено електричний нагрівник, а притискний механізм для створення контакту між торцями гілок і комутаційними пластинами складається з окремих для кожної гілки металевих стрижнів, які мають можливість вертикального переміщення. Відповідність критерію "новизна" запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоноване нове рішення, яке полягає в тому, що у пристрої для комутації термоелектричного модуля на основі оснастки для розташування гілок р- і n-типів, комутаційних пластин, притискного механізму для створення контакту між торцями гілок і 1 UA 73130 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 комутаційними пластинами оснастка з розташованими у необхідному порядку р- і n-гілками встановлена в центрі обичайки, на зовнішній поверхні якої розміщено електричний нагрівник, а притискний механізм для створення контакту між торцями гілок і комутаційними пластинами складається з окремих для кожної гілки металевих стрижнів, які мають можливість вертикального переміщення. Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівної промисловості. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 наведено вертикальний переріз пристрою для комутації термоелектричного модуля. На фіг. 2 наведена розбірна оснастка для розташування комутаційних пластин та гілок р- і n-типів. Запропонований пристрій складається з основи 1, плити 2 і рухомої горизонтальної платформи 3, яка має можливість вертикального переміщення по напрямних 4, які скріплюють основу 1 і плиту 2. У центрі основи 1 встановлено тонкостінний циліндр 5, заповнений теплоізоляцією 6. На верхньому торці циліндра 5 встановлено електричний нагрівник 7, виготовлений у вигляді обичайки, в центрі якої розташована оснастка 8 з термоелектричними гілками р- і n-типів 9, 10 та комутаційними пластинами 11. Оснастка 8 виготовлена у вигляді решітки (фіг. 2,а) і складається з поздовжніх (фіг.2, б) і поперечних (фіг.2, в) металевих пластин, які зібрані певним чином і утворюють комірки для розташування термоелектричних гілок і комутаційних пластин. Притискний механізм для створення контакту між торцями гілок і комутаційними пластинами складається з окремих для кожної гілки металевих стрижнів 12, які мають можливість вертикального переміщення. Стрижні 12 мають циліндричну, квадратну, прямокутну або іншу форму, яка аналогічна формі торця р- або n- віток, при цьому кількість стрижнів дорівнює кількості гілок у модулі. У запропонованому пристрої стрижні мають квадратний переріз, а їх кількість дорівнює 8. Верхні кінці стрижнів 12 мають потовщення прямокутної форми і розташовані у касеті 13, яка закріплена на рухомій платформі 3, що має отвори для металевих стрижнів 12. Між торцями потовщень і верхньою стінкою касети 13 розташована еластична прокладка 14. Для охолодження стрижнів 12, касети 13 і еластичної прокладки 14 у тілі рухомої горизонтальної платформи виконано отвори 15, у яких циркулює рідкий теплоносій. Окрім цього, для зменшення втрат тепла від електронагрівника шляхом випромінювання по периметру обичайки з електронагрівником встановлено тепловий екран 16, виготовлений з полірованої нержавіючої сталі. У верхній частині пристрою встановлена пружина 17, яка призначена для переміщення платформи 3 і створення зусилля для притискання комутаційних пластин до торців віток р- і nтипів. Сила притискання регулюється гвинтом 18. Весь пристрій для комутації модуля розташований під вакуумним ковпаком 19, з якого через штуцер 20 відкачується повітря. Під'єднання електричного живлення нагрівника, термопари для контролю його температури здійснюється за допомогою вакуумного раз'єму 21. Процесе комутації модуля, наприклад з матеріалів на основі n-РbТе і p-TAGS здійснюється наступним чином. Гілки р- і n-типів з нанесеними на їх торці антидифузійними, контактними і проміжними шарами та комутаційні пластини розташовуються у необхідному порядку в решітчастій оснастці 8. У даному прикладі за перехідний шар використано мідь. За комутаційну пластину - срібло або нікель. Оснастка 8 з гілками і комутаційними пластинами розташовується в центрі нагрівника таким чином, що осі стрижнів і гілок р- і n-типів співпадають. За допомогою гвинта створюється зусилля притискання комутаційних пластин до торців гілок. Для гілок вибраного матеріалу і їх 2 перерізу сила притискання складає 140 кг/см . Далі відкачують повітря з вакуумного ковпака до -4 залишкового тиску 10 Торр, нагрівають оснастку з гілками і комутаційними пластинами до 450 °C і витримують при такій температурі і тиску 30-35 хвилин з подальшим охолодженням до кімнатної температури. За таких температур і тиску здійснюється дифузійне вакуумне зварювання проміжного шару міді, нанесеного на торці гілок з комутаційною пластиною. Після закінчення процесу комутації (зварювання) металеві пластини оснастки 8 видаляють з модуля. Значення контактного опору отриманого з'єднання визначене зондовим методом, знаходиться в -6 2 межах (1-4)10 Омсм . Перевагою запропонованого пристрою є можливість використання гідропластичного пресування, що дозволяє прикласти необхідний тиск до кожної гілки окремо. Це особливо 2 UA 73130 U 5 10 важливо для випадків, коли необхідно провести комутацію гілок з різних матеріалів, які мають різну здатність до пластичної деформації. Конструкція пристрою дозволяє легко модифікувати її для проведення комутації більшої кількості гілок в ряд, а також збільшити кількість рядів. Запропонований пристрій може використовуватись для одержання генераторних модулів різної потужності і різного призначення з підвищеною ефективністю, яка досягається мінімізацією контактних опорів модуля. Джерела інформації: 1. Патент RU 2195049, МПК: H01L21/50, 35/34. Способ изготовления термоэлектрических модулей. / Ю.П. Прилепо, А. А. Кичкайло (RU). - Опубл. 20.12.2002. 2. Патент JP 2004311505, МКИ: H01L23/38, 35/08. Jig for manufacturing thermoelectric conversion module./ Shimada Tomohiro; Miyazaki Kenichi; Kusamori Hiroyuki (JP) - Опубл. 04. 11. 2004. 3. Патент JP 2003332644, МКИ: H01L23/38. Method and jig for manufacturing thermoelectric module. / Hara Reiko; Tomita Kenichi; Umibe Hiromasa (JP) - Опубл. 21. 11. 2003. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 1. Пристрій для комутації термоелектричного модуля на основі оснастки для розташування гілок р- і n-типів, комутаційних пластин, притискного механізму для створення контакту між торцями гілок і комутаційними пластинами, який відрізняється тим, що оснастка з розташованими у необхідному порядку р- і n-гілками встановлена в центрі обичайки, на зовнішній поверхні якої розміщено електричний нагрівник, а притискний механізм для створення контакту між торцями гілок і комутаційними пластинами складається з окремих для кожної гілки металевих стрижнів, які мають можливість вертикального переміщення. 2. Пристрій для комутації термоелектричного модуля за п. 1, який відрізняється тим, що металеві стрижні притискного механізму мають циліндричну, квадратну, прямокутну або іншу форму, яка аналогічна формі торця р- або n-гілок, при цьому кількість стрижнів дорівнює кількості гілок у модулі. 3. Пристрій для комутації термоелектричного модуля за будь-яким з п. 1, 2 який відрізняється тим, що верхні кінці металевих стрижнів мають потовщення прямокутної форми і розташовані у касеті, між верхньою стінкою якої і торцями потовщень розташована еластична прокладка. 4. Пристрій для комутації термоелектричного модуля за п. 3, який відрізняється тим, що касета розташована на горизонтальній платформі, яка має отвори для металевих стрижнів і можливість вертикального переміщення на напрямних. 5. Пристрій для комутації термоелектричного модуля за п. 4, який відрізняється тим, що у тілі горизонтальної платформи виконані канали для протікання рідкого теплоносія. 6. Пристрій для комутації термоелектричного модуля за п. 3, який відрізняється тим, що на верхній площині касети розташована пружина для переміщення платформи з касетою і створення зусилля для притискання комутаційних пластин до торців гілок р- і n-типів. 3 UA 73130 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко 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 4