ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ТОНКОПЛЕНОЧНЫМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ВЕТВЯМИ И УВЕЛИЧЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ТЕПЛООТВОДА

Изобретение относится к системам теплообмена.

Известно термоэлектрическое устройство с высоким градиентом температур [1], в котором нагретые спаи пространственно отдалены от холодных спаев для уменьшения паразитных кондуктивных потерь между спаями в двух параллельных плоскостях. Однако в полупроводниковых ветвях p-типа и n-типа сохраняется высокий уровень джоулевых тепловыделений. Электрические и теплофизические параметры в полупроводниковых ветвях p- и n-типа отличаются. Кроме того, необходимо снизить уровень паразитных термоэлектрических тепловыделений на границах полупроводник - металл за счет оптимального выбора материала металлического спая.

Для повышения эффективности термоэлектрического устройства и уменьшения уровня кондуктивного теплопереноса целесообразно снизить сопротивление полупроводниковых ветвей, подбирать материалы металлических спаев для границы полупроводник - металл индивидуально для входящих и выходящих токов, а также дополнить систему отвода тепла в окружающую среду новыми поверхностями теплообмена.

Цель изобретения - создание высокоэффективного термоэлектрического устройства с тонкопленочными полупроводниковыми ветвями и увеличенной поверхностью теплоотвода.

Это достигается тем, что полупроводниковые ветви p- и n-типа для уменьшения джоулевых тепловыделений выполняются в виде тонких пленок с минимальным сопротивлением протекающему току. Чем меньше толщина пленки по отношению к ее поперечному сечению, тем меньше оказывается сопротивление протекающему току. Для ветвей p- и n-типа толщина пленки будет индивидуальна и зависеть от теплофизических свойств материала. В существующих термоэлектрических устройствах высота полупроводниковых ветвей p- и n-типа одинакова [2]. Это ограничение наложено конструкторско-технологическими требованиями в производстве. Однако полупроводниковые ветви p- и n-типа имеют различные сопротивления электрическому току, падения напряжений, теплопроводность и другие параметры, что ограничивает оптимизацию режимов работы термоэлектрического устройства в целом. Размещение полупроводниковых ветвей p- и n-типа на разных уровнях позволяет независимо друг от друга изменять высоту ветвей p- и n-типа. Это позволяет достичь одинаковых падений напряжений и токов в полупроводниковых ветвях различного типа.

В существующих термоэлектрических устройствах горячие и холодные спаи изготавливаются из одного металла [2]. Однако между спаем и полупроводником при протекании тока возникают термоэлектрические явления с выделением или поглощением тепла. В зависимости от энергии электронов в металле и полупроводниках p- и n-типа, а также направлений протекания тока меняется режим теплообмена. Электроны в различных металлах могут обладать большей или меньшей энергией по сравнению с энергией электронов в полупроводниках p- и n-типа [3].

Металлические спаи для контакта с полупроводником целесообразно подбирать таким образом, что при протекании тока от металла к полупроводнику происходит поглощение тепловой энергии за счет того, что в металле электроны имели меньшую энергию, чем в полупроводнике. А на втором спае выбирается металл с энергией электронов большей, чем в полупроводнике, поэтому при протекании тока из полупроводника в такой спай электроны также будут приобретать дополнительную энергию, отбирая тепло у кристаллической решетки. Таким образом, рациональный выбор материалов для металлических спаев с учетом контактных явлений между металлом и полупроводником позволяет как при протекании тока от металла к полупроводнику, так и при протекании тока от полупроводника к металлу получить охлаждающий термоэффект в обоих случаях. Чем больше разница энергий электронов в металлических спаях, тем больше будет охлаждающий эффект на обоих спаях и меньше паразитный кондуктивный теплоперенос.

Так как металлические спаи контактируют с полупроводниковыми ветвями p- и n-типа, то обеспечить одновременно оптимальные условия для термоэффекта для обоих типов ветвей невозможно. Но в этом нет необходимости при использовании конструкции термоэлектрического устройства с топологически раздельным размещением в пространстве на разных уровнях ветвей p- и n-типа. Достаточно обеспечить оптимальный режим формирования охлаждающего термоэффекта только у полупроводниковых ветвей того типа (например, n-типа), который находится в кондуктивном контакте с объектом охлаждения для обеспечения максимально эффективного режима теплоотвода. Тогда полупроводниковые ветви p-типа можно расположить на значительном расстоянии от объекта охлаждения (уменьшив паразитный кондуктивный теплоперенос обратно к объекту охлаждения) и обеспечить отвод тепла не только с одной внешней поверхности ветвей p-типа, но и с противоположной внутренней стороны этих ветвей p-типа. Также можно осуществить отвод тепла с внутренней стороны охлаждающих полупроводниковых ветвей n-типа и с соединительных металлических проводников, которые могут быть выполнены в виде плоских пластин. В этом случае по сравнению с традиционными схемами охлаждения увеличивается поверхность отвода тепла как минимум в три раза. Помимо одной внешней поверхности ветвей p-типа добавляются внутренние поверхности ветвей p- и n-типа, а также эффективная поверхность соединительных металлических проводников.

На фиг.1 представлена структура термоэлектрического устройства с тонкопленочными полупроводниковыми ветвями и увеличенной поверхностью теплоотвода.

Структура термоэлектрического устройства представляет собой тонкопленочные полупроводниковые ветви p-типа (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18) и n-типа (1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17), расположенные в разных плоскостях, таким образом, что при пропускании тока возникает чередование горячих и холодных зон, причем за счет разных материалов металлических спаев, например, для ветви n-типа поглощение тепла происходит как на первом спае, так и на втором. Ток протекает последовательно от первой ветви до восемнадцатой. Отвод тепла осуществляется воздушным или водным потоками не только с верхних спаев ветви p-типа (V₁), но также с внутренних нижних спаев ветви p-типа (V₂), верхних спаев ветви n-типа (V₄) и соединительных металлических проводников (V₃) между ветвями p- и n-типа.

Использование представленного устройства позволит создать более эффективные термоэлектрические устройства за счет уменьшения кондуктивных паразитных потерь между горячими и холодными спаями.

Литература

1. Термоэлектрическое устройство с высоким градиентом температур: патент РФ 2335825, МПК H01L 35/28. Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». - Заявл. 25.04.2007, опубл. 10.10.2008, Бюл. №28.

2. Исмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. - СПб.: Политехника, 2005.

3. Анатычук Л.И. Термоэлектричество, Т.2. - Киев: Букрек, 2003. - 386 с.