Термоелектричний модуль

1. Термоелектричний модуль з підвищеною надійністю, який містить напівпровідникові гілки n- і p-типів провідності, кожна гілка має дві протилежні сторони - гарячу сторону і холодну сторону, які мають при роботі модуля різні температури гарячої та холодної сторін, засоби електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових гілок та засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових гілок, а також зовнішні електричні виводи для з'єднання модуля із зовнішнім електричним колом, який відрізняється тим, що засоби електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових гілок містять множину електричних провідників, на гарячих сторонах напівпровідникових гілок виконані пази, вказані провідники мають ділянки, розташовані всередині вказаних пазів, а гарячі сторони напівпровідникових гілок та ділянки провідників, розташовані всередині вказаних пазів, покриті електропровідним шаром, який частково заповнює пази і електрично з'єднує напівпровідникові гілки із вказаними провідниками. 2. Термоелектричний модуль за п. 1, який відрізняє ться тим, що засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових гілок містять множину електричних провідників, на холодних сторонах напівпровідникових гілок містяться пази, вказані провідники мають ділянки, розташовані всередині вказаних пазів, а холодні сторони напівпровідникових гілок і ділянки провідників, розташованих всередині вказаних пазів, покриті електропровідним шаром, який частково заповнює пази і електрично з'єднує напівпровідникові гілки з вказаними провідниками. 2 (19) 1 3 81334 4 провідники першої групи розташовані вздовж одного напрямку в просторі, а електричні провідники другої групи розташовані вздовж другого напрямку в просторі, два цих напрямки не паралельні. 9. Термоелектричний модуль за п. 1, який відрізняє ться тим, що він містить не менш ніж два ідентичні блоки, кожний із блоків містить напівпровідникові гілки, засоби електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових гілок і засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових гілок. 10. Термоелектричний модуль за п. 1, який відрізняє ться тим, що він має герметичний корпус, який містить щонайменше дві герметично з'єднані частини корпусу, герметичний корпус містить демпфер термічних деформацій, виконаний із пружного матеріалу, що герметично з'єднує частини герметичного корпусу. 11. Термоелектричний модуль за п. 10, який відрізняє ться тим, що демпфер термічних деформацій виконаний у вигляді V-подібного фланця, що має герметичний шов. 12. Термоелектричний модуль за п. 10, який відрізняє ться тим, що демпфер термічних деформацій виконаний у вигляді сильфона. 13. Термоелектричний модуль за п. 10, який відрізняє ться тим, що всередині герметичного корпусу міститься інертний газ та частки твердого теплоізоляційного матеріалу. 14. Термоелектричний модуль за п. 10, який відрізняє ться тим, що дві герметично з'єднані частини корпусу мають форму зрізаної чотиригранної піраміди, вказані піраміди мають різну висоту, а зовнішні електричні виводи розташовані на бічній грані піраміди тієї частини корпусу, що має більшу висоту. 15. Термоелектричний модуль за п. 11, який відрізняє ться тим, що зовнішні електричні виводи модуля виведені через герметичний шов Vподібного фланця. Цей винахід належить до термоелектричних модулів для перетворювання теплової енергії в електричну (термоелектричні генератори), а також до термоелектричних насосів, що виробляють холод і тепло при пропусканні через них електричного струму. Цей винахід може бути використаний для отримання електричної енергії як генераторний термоелектричний модуль в термоелектричних генераторах, в тому числі, в джерелах живлення різного призначення, а також як термоелектричний модуль охолодження або нагріву в приладобудуванні, електроніці, торгівлі, в промислових та побутови х кондиціонерах і. т. п. Відомі термоелектричні модулі, що містять напівпровідникові вітки n- і р-типу провідності, засоби електричної комутації напівпровідникових віток, і зовнішні електричні виводи для з'єднання модуля з зовнішнім електричним колом. Вони описані [в патентах US4971632, US4497973], а також в каталогах та проспектах багатьох фірм, які випускають термоелектричні модулі, наприклад Melcor, HiZ, (США), Komatsu (Японія). Найближчим до винаходу є термоелектричний модуль, що описаний [в патенті US4497973]. Цей відомий термоелектричний модуль, як і інші відомі модулі, що вказані вище, має такі недоліки: 1. Як правило, в таких модуля х використовуються дві теплопровідні керамічні пластини, які жорстко з'єднанні з напівпровідниковими вітками, наприклад за допомогою пайки. Пластини при роботі модуля знаходяться при різних температурах, а вздовж напівпровідникових віток є перепад температур. Тому в модулі виникають значні механічні напруги із-за теплового розширення, якщо пластини фіксовані, або деформовані, якщо у конструкції передбачена можливість рухливого з'єднання пластин з іншими деталями модуля, наприклад, через теплопровідну пасту. Ці механічні напруги і деформації мають місце в модулі навіть при ізотермічних умовах. Вони виникають в модулі при його виготовленні при підвищених температурах і наступному зниженні до температур, при яких модуль зберігається або використовується. Ці механічні напруги і деформації призводять до відмов відомих модулів і обмежують їх надійність. 2. Відомі модулі, де є одна жорстка теплопровідна керамічна пластина, як наприклад в одному із варіантів, описаному [в патенті US4497973]. В цьому випадку знижуються механічні напруги і деформації. Але в такому модулі керамічна пластина має жорсткий контакт з металічними комутаційними площадками, які, наприклад, впікають в керамічну пластину. Із-за теплового розширення керамічної пластини і металу комутаційних площадок також виникають механічні напруги і деформації, що приводять до відмов та зниження надійності. 3. В відомих модулях, де жорстка теплопровідна керамічна пластина відсутня, як наприклад в ще одному із варіантів, що описані в патенті US4497973, також не розв'язана задача забезпечення надійності. В цьому випадку руйнуючі зусилля виникають із-за різниці в коефіцієнтах теплового розширення напівпровідникових віток та металічних комутаційних пластин, які мають жорстке з'єднання з напівпровідниковими вітками. Таке жорстке з'єднання часто виконують припоєм, але товщина припою погано контрольована. При недостатній товщині такий контакт дуже жорсткий і не компенсує деформацію, а при надлишковій товщині припою зростає електричний опір з'єднання, що погіршує ефективність модуля. В основу винаходу поставлена задача створити термоелектричний модуль з високою 5 81334 надійністю, найбільш технологічний у виготовленні та зручний у використанні. Для цього в термоелектричному модулі, що містить а) напівпровідникові вітки n- і р-типу провідності, кожна вітка має дві протилежні сторони - гарячу сторону і холодну сторону, які мають при роботі модуля різні температури гарячої та холодної сторін, б) засоби електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових віток, в) засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових віток, г) зовнішні електричні виводи для з'єднання модуля з зовнішнім електричним колом, засоби електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових віток містять множину електричних провідників, на гарячих сторонах напівпровідникових віток є пази, вказані провідники мають ділянки, які знаходяться всередині вказаних пазів, а гарячі сторони напівпровідникових віток і ділянки провідників, які знаходяться всередині вказаних пазів покриті електропровідним шаром, який частково заповнює пази і електрично з'єднує напівпровідникові вітки з вказаними провідниками. В конкретних випадках виконання термоелектричного модуля засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових віток також містять множину електричних провідників, на холодних сторонах напівпровідникових віток є пази, вказані провідники мають ділянки, які розташовані всередині вказаних пазів, а холодні сторони напівпровідникових віток і ділянки провідників, що розташовані всередині вказаних пазів покриті електропровідним шаром, який частково заповнює пази і електрично з'єднує напівпровідникові вітки з вказаними провідниками. В конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, електропровідний шар виконаний у вигляді багатошарового гальванічного покриття, яке містить антидифузійні та металічні шари. В інших конкретних випадках виконання, термоелектричний модуль містить щонайменше одну керамічну пластину, керамічна пластина має щонайменше одну металізовану площадку, засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових віток на відміну від засобів комутації гарячих сторін містять вказані металізовані площадки і мають шари припою, які електрично з'єднують металізовані площадки та холодні сторони напівпровідникових віток. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу,він містить множину вказаних керамічних пластин, на кожній пластині знаходиться єдина металізована площадка з'єднана шаром припою з двома напівпровідниковими вітками. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, він має керамічні пластини розташовані на теплопровідній пластині, яка виконана з металу або із кераміки з високою теплопровідністю. 6 В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, напівпровідникові вітки виконані складеними і мають щонайменше дві частини з різних матеріалів, суміжні частини складеної напівпровідникової вітки знаходяться в електричному контакті і мають пази, в яких знаходяться металічні провідники, електричний контакт суміжних частин складеної напівпровідникової вітки виконаний у вигляді багатошарового гальванічного покриття, що містить антидифузійні, електропровідні шари і шар припою. В конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, вказані електричні провідники засобів комутації напівпровідникових віток містять дві групи електричних провідників, електричні провідники першої групи з'єднують напівпровідникові вітки послідовно в ланцюжки, кожен послідовний ланцюжок віток з'єднаний із зовнішніми електричними виводами модуля, електричні провідники другої групи відповідають за паралельні електричні з'єднання між вітками послідовних ланцюжків, електричні провідники першої групи розташовані вздовж одного напрямку в просторі, а електричні провідники другої групи розташовані вздовж іншого напрямку в просторі, два ці напрямки не паралельні. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, він містить не менше двох ідентичних блоків, кожен із блоків містить напівпровідникові вітки, засоби електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових віток і засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових віток. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, він містить герметичний корпус, який має щонайменше дві герметично з'єднані частини корпусу, герметичний корпус містить демпфер термічних деформацій, який з'єднує частини герметичного корпусу, і виконаний із пружного матеріалу. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, демпфер термічних деформацій виконаний у виді V-подібного фланця. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, демпфер термічних деформацій виконаний у виді сильфона. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, всередині герметичного корпусу міститься інертний газ та частинки твердого теплоізоляційного матеріалу. На кресленнях показано: На Фіг.1 - загальний вид термоелектричного модуля згідно винаходу. На Фіг.2, 3, 4 - засоби електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових віток, а саме: 7 81334 на Фіг.2 - загальний вид засобів електричної комутації гарячих сторін двох напівпровідникових віток; на Фіг.3 - поперечний перетин ділянки напівпровідникової вітки в місці її з'єднання із засобами електричної комутації гарячих сторін; на Фіг.4 - поперечний перетин ділянки напівпровідникової вітки в місці її з'єднання із засобами електричної комутації гарячих сторін в збільшеному масштабі. На Фіг.5 - поперечний перетин ділянки напівпровідникової вітки в місці її з'єднання із засобами електричної комутації холодних сторін. На Фіг.6 - поперечний перетин контакту дво х частин складеної напівпровідникової вітки. На Фіг.7 - схема взаємного розташування в просторі двох гр уп електричних провідників засобів комутації напівпровідникових віток. На Фіг.8 - загальний вид ланцюжка послідовно з'єднаних напівпровідникових віток. На Фіг.9, 10, 11, 12, 13 - електричні схеми комутації термоелектричного модуля. На Фіг.14 - загальний вид варіанту виконання винаходу з ідентичними блоками. На Фіг.15-19 - варіанти виконання винаходу із герметичним корпусом, а саме: на Фіг.15 загальний вид корпусу термоелектричного модуля, на Фіг.16 - загальний вид термоелектричного модуля з частковим перетином, на Фіг.17 - схема одного із варіантів виконання демпфера термічних деформацій герметичного корпусу. Термоелектричний модуль, згідно винаходу, як це показано на Фіг.1, складається із напівпровідникових віток 1 n- і р-типа провідності, кожна вітка має дві протилежні сторони - гарячу сторону 2 та холодну сторону 3, які мають при роботі модуля різні температури гарячої та холодної сторін.Модуль містить також засоби електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових віток 4, і засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових віток 5. Зовнішні електричні виводи 6 призначені для з'єднання модуля із зовнішнім електричним колом. Засоби 4 електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових віток містять множину електричних провідників 7, показаних на Фіг.2, 3, 4, на гарячих сторонах напівпровідникових віток містяться пази 8, вказані провідники мають ділянки 9, розташовані всередині вказаних пазів, а гарячі сторони напівпровідникових віток та ділянки провідників 9, розташовані всередині вказаних пазів 8 покриті електропровідним шаром 10, котрий частково заповнює пази 8 і електрично з'єднує напівпровідникові вітки 1 із вказаними провідниками 7. В конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, показаного на Фіг.4, електропровідний шар 10 виконаний у виді багатошарового гальванічного покриття, що містить антидифузійні і металічні шари 11, 12, 13 а також захисний металічний шар 14. 8 Засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових віток в конкретних варіантах виконання винаходу можуть бути виконані аналогічно засобам електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових віток. В інших варіантах конкретного виконання винаходу, як це показано на Фіг.5, засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових віток містять комутаційну металічну пластину 15 і багатошарове електропровідне покриття 16, яке складається із антидифузійних шарів 17, 18 і металічних шарів 19, 20. Покриття 16 та комутаційна пластина 15 з'єднані шаром м'якого припою 21. В шарі 21 розміщені провідники 22, виконані із металу, наприклад міді. їх то вщина при пайці припоєм 21 задає товщину шар у припою 21. В залежності від конкретного виконання, товщина провідників 22 вибирається, наприклад, в межах 50-200мкм. В конкретних випадках виконання винаходу, показаних на Фіг.1 і 5, модуль містить щонайменше одну керамічну пластину 23. Керамічна пластина 23 має щонайменше одну металізовану площадку 24, засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових віток містять вказані металізовані площадки 24 і мають шари припою 21, 25, які електрично з'єднують металізовані площадки 24 і холодні сторони 3 напівпровідникових віток 1. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, він містить множину вказаних керамічних пластин, на кожній пластині міститься єдина металізована площадка 24, з'єднана шарами припою 21, 25 з двома напівпровідниковими вітками. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, він містить керамічні пластини 23, розташовані на теплопровідній пластині 26, яка виконана із металу або із кераміки з високою теплопровідністю, як це показано на Фіг.1. Напівпровідникові вітки 1 в конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, виконані складеними та мають щонайменше дві частини 27 і 28 із різних матеріалів, як це показано на Фіг.6. Суміжні частини 27 і 28 складеної напівпровідникової вітки 1 знаходяться в електричному контакті і мають пази 29, в яких знаходяться металічні провідники 30, електричний контакт суміжних частин складеної напівпровідникової вітки виконаний у вигляді багатошарового гальванічного покриття 31, яке містить антидифузійні, електропровідні шари і шар припою. Багатошарове покриття 31 виконується аналогічно до описаного вище багатошарового покриття 10. В конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, (Фіг.7) вказані вище електричні провідники засобів комутації 4, 5 напівпровідникових віток 1 містять дві групи електричних провідників 7 і 22, електричні провідники 7 першої групи з'єднують напівпровідникові вітки послідовно в ланцюжки 32 (Фіг.8), 9 81334 кожен послідовний ланцюжок віток 32 з'єднаний із зовнішніми електричними виводами модуля 6, електричні провідники 22 другої гр упи (Фіг.7) відповідають за паралельні електричні з'єднання між вітками 1 послідовних ланцюжків 32 (Фіг.8); електричні провідники 7 першої групи розташовані вздовж одного напрямку А в просторі, а електричні провідники 22 другої гр упи розташовані вздовж іншого напрямку В у просторі, два ці напрямки А і В не паралельні. Дві групи електричних провідників 7 і 22 дозволяють здійснювати різноманітні електричні схеми з'єднання в термоелектричному модулі, показані на Фіг.9-13, в тому числі змінювати робочий струм та напругу модуля, отримува ти, не змінюючи однотипну технологію виготовлення модуля, серійні ряди модулів із необхідними споживачу електричними та надійнісними параметрами. Із Фіг.12-13 видно, що є навіть можливість здійснювати електричні схеми із багатьма незалежними і гальванічно розв'язаними групами послідовних ланцюжків 32. В варіанті конкретного виконання модуля, показаному на Фіг.14, він містить не менше двох ідентичних блоків 33, кожен із блоків 33 містить напівпровідникові вітки 1, засоби електричної комутації гарячих сторін напівпровідникових віток 4 та засоби електричної комутації холодних сторін напівпровідникових віток 5. В варіанті конкретного виконання модуля, показаному на Фіг.15-19, він містить герметичний корпус 34, що має щонайменше дві герметично з'єднані частини корпусу 35, 36, а саме: кришку 35 і дно 36. У деяких конкретних варіантах виконання винаходу кришка 35 та дно 36 корпусу 34 можуть мати однакову форму і розміри, в інших варіантах можуть бути різної форми і розмірів, як то наприклад, показано на Фіг.15-19, де висота кришки 35 більша, ніж висота дна 36. Кришка 35 і дно 36 корпусу 34 можуть бути виконані із металу, наприклад із нержавіючої сталі товщиною 50150мкм. Кришка 35 і дно 36 корпусу 34 герметично з'єднані між собою демпфером термічних деформацій 37. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, демпфер термічних деформацій 37 виконаний у виді V-подібного фланця 38, як це більш детально показано на Фіг.17. Як видно із Фіг.18, фланець 38 утворений краями 39,40 кришки 35 і дна 36. Фланець 38 містить герметичний шов 41, виконаний, наприклад, шляхом зварювання. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, демпфер термічних деформацій 37 може бути виконаний у виді сильфона. В деяких конкретних випадках виконання термоелектричного модуля, згідно винаходу, всередині герметичного корпуса 34 міститься інертний газ і частинки твердого теплоізоляційного матеріалу 42. У варіанті конкретного виконання модуля, який показано на Фіг.15-17 дві герметично з'єднані частини 35, 36 корпусу 34 мають форму зрізаних 10 чотирьохгранних пірамід. Піраміда кришки 35 має більшу висоту, ніж висота піраміди дна 36. При цьому зовнішні електричні виводи 43 розташовані на бічній грані піраміди кришки 35, що має більшу висоту, ніж дно 36. Це дозволяє розташува ти зовнішні електричні виводи 43 в межах габаритних розмірів модуля, як то показано на Фіг.17. В іншому варіанті конкретного виконання винаходу, фрагмент якого показано на Фіг.19, зовнішні електричні виводи 43 модуля виведено через герметичний шов 41 V-подібного фланця 38. Фізичні принципи роботи запропонованого винаходу такі ж, як і принципи роботи відомих термоелектричних модулів в режимі генерування електричної енергії, в режимах термоелектричного охолодження і нагріву. При наявності різниці температур гарячої 2 і холодної 3 сторін напівпровідникових віток 1 від зовнішніх джерел тепла та холоду модуль генерує ЕРС за рахунок відомого ефекту Зеєбека, а при пропусканні через модуль постійного електричного струму він працює як тепловий насос Пельт'є, відбираючи тепло від холодної сторони 3 і віддаючи його гарячій стороні 2. Викладені вище особливості модуля підвищують при його роботі надійність, технологічність виготовлення і зручність використання: 1) В модулі зведені до мінімуму умови для виникнення механічних напруг при його роботі: а) Провідники 7 демпфірують механічні напруги на гарячій стороні 2. При цьому вони демпфірують їх не тільки вздовж напрямку А, але по всій площині гарячої сторони за рахунок своєї гнучкості. в) На холодній стороні механічні напруги демпфіруються шаром м'якого припою 21, товщина якого вибирається достатньою для такого демпфірування. 2) Паралельні з'єднання за допомогою провідників 22 на холодній стороні 3 і на зовнішніх виводах 6 суттєво підвищують надійність при заданих споживачем критеріях відмов. Зазвичай такі критерії формулюють як деякий дозвіл зниження параметрів модуля за час роботи або експлуатації. Відомо, що в схемах з паралельними з'єднаннями навіть повна відмова деяких віток 1 не приводить до відмови всього модуля, а лише знижує ці параметри. Паралельні з'єднання за допомогою провідників 22 на холодній стороні 3 і на зовнішніх виводах 6 дають можливість реалізації таких схем, як це описано вище і показано на кресленнях Фіг.9 - 11. На відміну від відомих термоелектричних модулів цей винахід дозволяє в таких схемах здійснювати паралельне з'єднання на рівні віток. Відомі термоелектричні модулі, як правило, мають лише 2 зовнішніх виводи, тому для підвищення надійності з'єднують паралельно окремі модулі, всередині яких нема паралельних з'єднань. Цей винахід дозволяє здійснювати паралельне з'єднання на багатьох рівнях - на рівні самих модулів, на рівні блоків всередині модуля, на рівні ланцюжків всередині блоків, на рівні віток всередині ланцюжків. При цьому чим на більш низькому рівні виконані 11 81334 паралельні з'єднання, тим більше зростання надійності вони забезпечують. Результати випробувань термоелектричного модуля, виготовленого згідно винаходу, в режимі генератора такі: Температура гарячої сторони при тривалій роботі - 250°С і нижче. Дозволений перегрів гарячої сторони 300°С350°С. Температура холодної сторони при тривалій роботі - 80°С і нижче. Дозволений перегрів холодної сторони 120°. Кількість циклів включено - виключено без погіршення параметрів - не менше 20000. Підвищення терміну служби в порівнянні з відомими модулями - від 80 до 1000 разів в залежності від числа використаних паралельних з'єднань. 12 13 81334 14 15 81334 16