Размещено на http://www.allbest.ru/

Анотація

В даній роботі проведено аналіз конструкцій та технологій термоелектричних мікромодулів охолодження. Приводяться основні параметри термоелектричних мікромодулів охолодження (ТЕМО), типова конструкція та класифікація (ТЕМО), особливості технології їх виготовлення та підвищення надійності термоелектричних мікромодулів.

Робота містить: 38 сторінок, 23 рисунка, 1 таблицю, 41 джерел літератури.



Зміст

Анотація

Вступ

1. Огляд літератури

2. Технологія зборки та виготовлення термоелектричних мікромодулів охолодження

3. Конструктивні особливості однокаскадних та багатокаскадних термоелектричних мікромодулів охолодження

4. Аналіз переваг і недоліків мікромодулів охолодження

Висновки

Додатки

Список використаної літератури



Вступ

Актуальність теми. Напівпровідниковітермоелектричні модулі отримали велике поширення в останні 20 років мають в більшості випадків досить великі габарити, що ускладнюють їх використання безпосередньо в мікромініатюрних пристроях сучасної електроніки. Оптимальним вирішенням цієї проблеми є адаптація розмірів охолоджуючого модуля до габаритів мікросхеми Всі вони діляться на три основних типи термоелектричні охолоджувальні модулі, термоелектричні корпуси і термоелектричні джерела тепла. Термоелектричні охолоджувальні модулі є представниками широкого класу модуля Пельтье і відрізняються лише малими габаритами, які полегшують їх використання для мікроелектроніки. Термоелектричні корпуси являють собою модулі Пельтьє розміщений в стандартному корпусі гібридної мікросхеми яка дозволяє зібрати мініатюрний пристрій з високою питомою потужністю або швидкодією завдяки інтегрованому тепловідвідними блоку. Третій тип мікромодулів- це термоелектричні джерела тепла, кероване "чорне тіло " дозволяє отримати широкий промінь теплового випромінювання використовуваний для калібрування ІЧ датчиків. Це пристрої, що складаються з термоелектричного мікромодуля, випромінюючої поверхні і датчика температури. Використання мікромодулів дозволяє ефективно вирішити проблему охолодження електронних пристроїв незалежно від їх мініатюризації.

Порівняно із звичайними модулями вони мають менший розмір і застосовуються як міні-та мікроохолоджувачі в системах термостабілізації мікрочіпів, напівпровідникових лазерів, фотоприймачів, в НВЧ техніці, для термостабілізації параметричних підсилювачів, а так само як охолоджувачі для мікропроцесорів.

Мета даної роботи провести аналіз конструкцій та технологій мікромодулів охолодження.

Об'єктом дослідження є однокаскадні та каскадні термоелектричні мікромодулі охолодження.

Предметом дослідженняв данійроботі є конструкції та технології термоелектричних мікромодулів охолодження.

Методом дослідження є аналіз науково-технічної і патентної літератури.

мікромодуль охолодження термоелектричний конструктивний



1. Огляд літератури

Радіоелектронні пристрої, що вимагають термостабілізації, конструктивно поєднані з каскадним термоелектричними охолоджувачами. Зазвичай вони експлуатуються на рухомих об'єктах, які спричиняють вібрації у широких частотних інтервалах, а тому проблеми віброзахисту апаратури виникають на всіх етапах - від розробки до монтажу [2].

Відомо [1, 4], що багатокаскадні термоелектричні охолоджувачі своєю будовою нагадують «етажерку» (рис.1) і виготовляються з кристалів термоелектричних матеріалів на основі телуриду вісмуту, що з'єднуються між собою мідною комутаційною доріжкою і кріпляться на ситаловому теплопереході за допомогою шару припою, який завдяки значній пружній податливості служить своєрідним демпфером. Така будова дає можливість використати модель коливальної системи, у якій джерело коливань - основа, а збурення - кінематичне (рис. 2,3).

а) б)

Рис. 1 Загальний вигляд однокаскадного (а) та двокаскадного (б) термоелектричного модуля охолодження

а) б)

Рис. 2 Механічна (а) та електрична (б) схеми однокаскадного ТЕО

а) б)

Рис. 3 Механічна схема (а) та електричний аналог (б) двокаскадного ТЕО

Загально відомо, що основою кожного термоелектричного модуля охолодження є термоелемент - термоелектричний перетворювач енергії, що містить мінімальну кількість частин, необхідних для виникнення ефекту, який закладений у принцип роботи термоелементу. Сукупність термоелементів з'єднаних між собою одним із способів називають термоелектричною батареєю.

Початковим етапом виготовлення термоелектричного модуля охолодження є отримання термоелементів - кристалів ТЕМ.

В роботі показано, що основні характеристики охолоджувача холодильний коефіцієнт та максимальне зниження температури сильно залежать від величини Z - термоелектричної добротності матеріалів. Тому для виготовлення модуля з належними параметрами потрібно забезпечити наявність високоякісних матеріалів.

2. Технологія зборки та виготовлення термоелектричних мікромодулів охолодження

Вибір термоелектричного матеріалу для виготовлення мікробатареї

Термоелектричні напівпровідникові матеріали (ТЕМ) повинні задовольняти ряд вимог: зберігати високу добротність в широкому інтервалі температур, володіти значною механічною міцністю, легко оброблюватися при виготовленні зразків необхідних розмірів, не зазнавати окислюючої дії атмосфери, не сублімувати або розкладатися при підвищених температурах та ін. Найбільш важливою з цих вимог є досягнення високих значень термоелектричної добротності, від якої в більшості випадків залежить можливість застосування термоелектричного матеріалу [23].

Класифікація термоелектричного матеріалу зроблена за інтервалом робочої температури низько-, середньо- та високотемпературні. Низькотемпературні - це напівпровідники з робочою температурою 0-350⁰С, середньотемпературні 350-650⁰С, високотемпературні 700-1000⁰С.

Так як верхня границя робочого інтервалу температури термобатареї у нашому випадку складає ~ 120⁰С, то для її виготовлення використовують низькотемпературні матеріали.

Як було сказано, ТЕМ характеризується добротністю:

(1)

де б - коефіцієнт термоЕРС, у - електропровідність, ч - коефіцієнт теплопровідності.

(2), (3), (4).

Найбільш ефективними низькотемпературними матеріалами є тверді розчини на основі Bi₂Te₃.

В процесі відбору матеріалу для виготовлення віток тепломіра були випробувані низькотемпературні матеріали на основі Bi₂Te₃, отримані різними методами: монокристали (методом Бріджмена, Чохральського, зонної плавки), екструзії та пресування. На рис.4 представлені зразки термоелектричного матеріалу n- і p-типу, одержані методом екструзії.

Рис. 4 Екструдовані бруски термоелектричного матеріалу n- і p-типу провідності

В процесі виготовлення термоелектричної батареї такі бруски розрізаються на тонкі пластини (рис.5), які в подальшому попарно склеюються між собою.

На відміну від монокристалів, які вирощуються методами Бріджмена, Чохральского, зонної плавки, екструдований матеріал володіє високими механічно-технологічними властивостями; однорідністю по довжині стрижнів, високою механічною міцністю, що особливо важливо при виготовленні віток малих розмірів [23].

Рис. 5 Пластини термоелектричного матеріалу n- і p-типу провідності

В процесі отримання термоелектричного матеріалу виникає внутрішня напруга внаслідок різних термічних і механічних навантажень. Наявність кінцевих напруг, досягаючи граничних величин міцності, може привести до виникнення мікро- і макротріщин, які суттєво послаблюють міцність матеріалу і можуть погіршити його термоелектричні властивості. Найкращу міцність мають зразки, отримані методом екструзії. Висока механічна міцність екструдованого матеріалу пояснюється відносно високою його однорідністю.

Вітки термобатареї були виготовлені з напівпровідникового матеріалу, отриманого саме методом екструзії.

Велике значення для матеріалів, які використовують в термоелементах, є степінь їх однорідності. Неоднорідності утворюють в середині вітки замкнені термоелектричні струми, які знижують ефективність термоелементів.

ТЕМ, що отримані з порошків гарячим або холодним пресуванням, завдяки технологічній простоті та можливості виготовлення термоелементів необхідних розмірів в даний час найбільш широко застосовуються [24].

В найпростішому випадку, коли матеріал всіх зерен однорідний та ізотропний, контакт між зернами ідеальний і вплив різних мікроскопічних дефектів (тріщини, раковини, різного роду включення та каверни) настільки маленький, що їм можна знехтувати, вирази для описання електро- і теплопровідності поршнів ізоморфні, тому незалежно від конфігурації зерен, їх розмірів, взаємної орієнтації і площі контактів відношення у/ч повинно залишатися постійним. Коефіцієнт термоЕРС також не повинен залежати від перерахованих факторів, тому значення порошкових і монокристалічних матеріалів повинні співпадати. В більшості випадків добротність порошкових матеріалів дещо менша, ніж у монокристалів, із-за додаткового розсіювання фононів і носіїв струму на границях зерен, дислокаціях, вакансіях, мікротріщинах; із-за наявності окисних плівок і т. д.

При використанні порошків з анізотропних матеріалів добротність пресованих порошків може виявитися істотньо меншою, ніж у монокристалів. Анізотропія термоЕРС при розорієнтації зерен призводить до виникнення вихрових струмів, що також погіршує властивості матеріалу.

Для досягнення максимальної добротності необхідно виконувати орієнтацію зерен. В шарувато подібних матеріалах (в низькотемпературних ТЕМ, що працюють в діапазоні температур 0 - 300⁰С), представниками яких являються сплави на основі Bi₂Te₃, така орієнтація досягається при гарячому пресуванні [24, 25] - зерна розташовуються площинами спайності перпендикулярно напрямку пресування. Орієнтація досягається і при виготовленні зразків методом екструзії. При застосуванні таких прийомів порошковий матеріал стає анізотропним і по добротності наближується до монокристалів.

Конструкція термоелектричної мікробатареї

Принцип роботи напівпровідникової ТЕБ заснований на безпосередньому перетворюванні теплової енергії в електричну у відповідності з ефектом Зеєбека, який говорить, що в замкненому колі, яке складається з двох різнорідних провідників, спаї яких знаходяться при різних температурах, виникає термоЕРС.

Конструкція ТЕБ представляє собою монолітний блок з розмірами, що не перевищує (222220) мм³. Блок складається з 1600 напівпровідникових віток p- іn-типу квадратного перетину та ізольованих одна від одної. Вітки p- і n-типу попарно з'єднані в послідовне електричне коло (рис.6) і розташовані паралельно відносно теплового потоку, тобто тепловий потік іде вздовж віток напівпровідникової термоелектричної батареї (по висоті). Крайні в електричному колі вітки p- і n-типуз'єднані з нікелевими шинами, які приклеєні до двох протилежних бокових поверхонь напівпровідникової ТЕБ [26].

Рис. 6. Склеєні вітки ТЕБ виготовлені з екструдованого термоелектричного матеріалу

Розміри вітки термопари, що виготовлялася: (200.50.5) мм³.

Вітки ТЕБ виготовлені з екструдованого термоелектричного напівпровідникового матеріалу на основі сплавів Bi₂Te₃. Середні значення електричних параметрів цього матеріалу складають:

б_ср - 190 мкВ К^-1

у_ср - 900 Ом^-1см^-1

Технологія виготовлення мікробатарей

Мікромодулі представляють собою, як правило, однокаскадні батареї, які виготовляються з низькотемпературних термоелектричних матеріалів на основі потрійних сплавів телуриду вісмуту [24], які набувають p або n типу провідності в залежності від їх легування. Технологічна схема виготовлення мікромодулів включає наступні етапи: синтез низькотемпературних термоелектричних сплавів p і n типів провідності; дроблення злитків сплавів до порошку з необхідним розміром зерен з подальшою його екструзією через фільєри розміром 77 мм² або 510 мм². Отримані термоелектричні вітки з відповідним перетином характеризуються високим значенням параметрів в інтервалі температур 200-600 К і хорошими механічними властивостями, що дозволяє використовувати їх в умовах виробництва. З цих віток алмазним диском нарізаються бруски потрібної довжини і середнім значенням 180 - 200 мкВ/К та 900 - 1200 Ом^-1см^-1. Далі бруски розрізаються за допомогою механічної струнної різки на пластини товщиною 0,7 мм і після відповідної хімічної обробки пластини склеюються між собою, зберігаючи послідовність чергування p і n провідності. Електричною ізоляцією між пластинами служить поліамідна плівка товщиною 10 мкм, в якості клею вибрано епоксидний компаунд К-400 з пластифікатором. Отримані після сушки блоки розрізались на ряди віток необхідної товщини (в нашому випадку - 0,7 мм). Після хімічного травлення кінці рядів склеєних віток покривалися анти дифузійним шаром з наступним створенням комутаційного покриття. Після цих операцій отримуємо потрібну кількість одиниць мікромодулів, кожен з яких містить вибране число напівелементів (віток), зкомутованих електрохімічним чином.

Структура фрагменту мікромодуля зображена на рис.7.

Рис. 7 Фрагмент мікромодуля ТЕБ 1- напівелементи р і n - типу провідності, 2 - поліамідна плівка, 3 - епоксидний компаунд, 4 - комутація

По вищезгаданій технологічній схемі зібрано 4 одиниці мікромодулів, які через поліамідну плівку були склеєні в блок і зкомутовані між собою з боку тепловиділяючої сторони. На рис.8 представлено зібрані та зкомутовані мікромодулі

Рис 8 Мікромодулі

До блоку мікромодулів, який фактично являє собою ТЕБ, підпаювалися електричні виводи, а його теплообмінні сторони покривалися теплопровідним захисним шаром, який містить нітрит бору.

В загальному технологічний ланцюжок виготовлення термоелектричної батареї можна звести до наступної схеми (рис.9):

Рис. 9 Технологічний ланцюжок виготовлення ТЕБ

Конструкція каскадногомікромодуля

Електричне з'єднання каскадної охолоджуючої мікробатареї може виконуватися послідовно або паралельно. При послідовному з'єднанні каскади (рис. 4, а) розділяються теплопереходами. З'єднання верхнього каскаду з нижнім виконується шляхом замикання їх комутаційних пластин:гарячої - верхнього каскаду і холодної - нижнього.

При паралельному з'єднанні (рис. 4, б) теплопереходи не потрібні, так як кожна пара верхнього каскаду під'єднана паралельно до спаїв двох пар нижнього каскаду. Однак при цьому виникає неузгодженість з напругою, так як оптимальне падіння напруги в різних температурних інтервалах різне. Це знижує ефективність роботи у порівнянні з послідовним з'єднанням. Можна з'єднати в цілому паралельно верхній і нижній каскади, що усуває неузгодженість,то тоді необхідні теплопереходи, так як оптимальне число елементів в каскадах буде різним рис. 10 в.

Рис. 10 Способи каскадного з'єднання термобатарей

Для розподілу тепла при переході від одного каскаду до другого, при різному числу елементів у каскадах, між теплопереходами каскадів поміщають пластину із матеріалу з хорошою тепловою провідністю. Теплові з'єднання каскадів можна виконати з допомогою циркуляційних або зникаючих контурів, які переносять тепло від гарячих спаїв верхнього каскаду до холодних - нижнього. Можна зменшити теплове навантаження на сам холодний каскад за рахунок вмісту в середині шару теплоізоляції екранів, які відводять тепло на холодні спаї більш теплого нижнього каскаду. Зменшення навантаження на верхнім каскаді більш суттєве, ніж збільшення його на нижньому, тому загальна ефективність роботи батареї збільшується. В цілому також має значення додаткове корисне теплове навантаження на більш теплому каскаді.

Було запропоновано використовувати охолодження більш теплого каскаду для відводу тепла від середини бокової поверхні елементів більш холодного каскаду. При цьому відвід тепла може бути виконаний як з допомогою пластини,яка добре проводить тепло, так і циркуляцією охолоджуючої родини по каналах, що залишились після заливки термобатареї резиною. Такі схеми більш складні у виконанні при великому перепаді температур і в цілому використання кількох матеріалів для отримання найбільшої ефективності,тоді можна послідовно з'єднувати їх у каскади у кожній вітці (рис. 4, г). Таке з'єднання зменшує число комутаційних пластин, але потребує погодження матеріалів по напрузі з перепадом температур [3].

Комутація термоелементів

Одна із проблем. Яку потрібно вирішувати конструктору термоелектричних пристроїв,- забезпечення надійного з'єднання віток термоелементів між собою і з вихідними контактами, так як низька якість електричних контактів веде до підвищення опору термоелементів і зниження їх ефективності.

На всіх стадіях монтажу термоелементів звичайно використовуються металургійним способом. В якості залужую чого і комутаційного припою використовується сплав вісмута (53%), олова (42%) і сурми(5%). Флюсом служить розчин хлористих амонія (250 г), цинку (590 г) і нікелю (200 г) на літр дистильованої води.(Іноді з ціллю видалення залишків флюсу наносять другий шар того ж припою, але під гліцериновим флюсом.) Для придання контакту більшої еластичності використовують двошарову комутацію нашатирно - гліцериновим флюсом: перший шар - Bi_0.96 Sb_0.04 (температура плавлення 300⁰С), другий - Bi_0.58 Sn_0.42(температура плавлення 140⁰С). Гладкість комутації (торців) віток термоелементів залужують паяльником з нікелевим бойком.

Комутаційно - передаюча арматуру (з'єднані шини, перемички, комутаційні пластини, керамічні теплопереходи, тепловідводи і т.д.) залужують припоями з високим вмістом олова: ці припої мякі, легкоплавкі, володіють хорошою змочуваністю. Необхідний стан олова змінюється і переходить в так звану серію модифікації, що може принести до майже повної втрати механічної витривалості низькотемпературних каскадів цей недолік олов'яних припоїв, широко застосовується в техніці термоелектричного охолодження, позбувається введенням в склад припою від 1 до 3% легуючої примісі (індій, галій).

При конструкції термоелектричних пристроїв повинен бути передбачений тепловий захист термобатареї. Перегрів гарячих спаїв при великих струмах і навантаженях і перевантаженому тепловідводі може привести до порушення комутаційних шарів. Для переохолодження від перегріву можна використати схему виключення живлення з датчиком на гарячий стороні термобатареї. Більш простий шлях складає в тайці виводів (рис.5.1) легкоплавким припоєм з температурою плавлення нижче, ніж у комутаційного припою. Тоді при перегріві горячої сторони, де зазвичай і розташовуються виводи, останні відпаюютьсь і термобатарея знеструмлюється.

Конструкція і монтаж мікробатареї

Набір термоелементів у батарею виконується, як правило, в різного роду кондукторах. В кондукторах розташовуються також облуджені комутаційні і керамічні (теплоперехідні) пластини. Якщо останні входять в конструкцію мікробатареї. Монтаж виконують прогрівом зборки з послідовним охолодженням і звільненням мікромодуля. Монтаж мікробатарей має свої особливості, виявлені їхньою конструкцією.

Особливості збирання безкаскадних мікробатарей виявляються кількістю спільних керамічних металізованих монтажних пластин, які є сторонами мікробатареї і слугують теплопереходами (рис. 12).На керамічні пластини зі сторони наноситься схема комутації, в результаті чого електричні слабшають ділянки, до яких припаюються комутаційні пластини.

Рис. 11 Термобатарея із запобіжником: а - легкоплавка вставка на електричному виводі, б - комутація легкоплавким припоєм по гарячій стороні

В малоточних термобатареях металічні комутаційні пластини можуть бути відсутні, а їх функцію виконує шар припою.

Рис. 12 Безкаскадна мікробатарея Рис. 5.3 Каркасна мікробатарея (протиударний монтаж): 1 - каркас касета; 2 - вітки термоелементів; 3 - металізована монтажна плата;4 - теплоперехід

Якщо термобатарея призначена для складних умов експлуатації, її конструкція повинна забезпечувати розвантаження термоелементів і особливо їх сплавів від механічних навантажень (напруг) і придання батареї необхідної пружності Одночасно повинна бути забезпечена герметизація батареї (захист) і надійна теплова ізоляція між протилежними спаями. Остання потреба в багатьох випадках виключає можливість армерування батареї різного роду заливочними компаундами і пластмасами.

Для виконання вказаних умов в конструкції термобатареї може бути передбачений каркас складності (касета) 1 із теплоізоляційного матеріалу, який постачається двома діелектричної металізованими платами (рис. ). Наприклад, використовується фольговий текстоліт, на фольгу якого наноситься схема комутаційних з'єднань. При цьому обумовлені металізовані ділянки плат повторюють схему комутації. У наскрізні отвори плат ставлять наперед залужені по поверхням комутаційні вітки 2 термоелементів. Комутаційні пластини 4 припаюються не тільки з поверхнями комутаційної вітки термоелементів, але і з металізованими ділянками 3 плати. В результаті зростає механічне навантаження батареї і збільшується надійність контакту метал - напівпровідник, оскільки основні навантаження сприймаються металізованою ділянкою, оточуючим термоелементом, і касетою. Одночасно по поверхням комутації герметизуються спаї батареї. Описаний монтаж застерігає термоелементи від механічних навантажень, обмежує їх спаї від проникнення вологи, підвищує вібро- і ударопружність, що сприяє підвищенню праці термоелектричних батарей у тяжких умовах експлуатації.

Число термоелементів сучасних батарей, особливо малоточних, може бути досить великим. В цих умовах застосування вдвічі більше, ніж термоелементів, числа комутаційних пластин настільки складний монтаж батареї, що під погрозою знаходиться якість комутації. При цьому монтаж батареї може виконуватися без комутаційних пластин, роль яких, як відмічено вище,буде виконувати шар припою і металізована підложка плат. Останнє має місце при використанні каркасної конструкції.

Хорошим комутаційним припоєм є чисте олово з добавкою індію, електрична провідність і теплопровідність якого знаходиться на рівні заліза і платини. Розтікаючись по поверхням комутації і металізованій ділянці, припій після затвердіння надійно захищає спаї від проникнення вологи і повітря і застерігає їх від ерозії і розколів. При цьому для покращення електричних з'єднань (зменшення опору) може бути застосована мідна дротина - або безпосередньо, або у вигляді рамок і т.д. Відсутність комутаційних пластин, суттєво спрощує батарею, дозволяє, крім того, втілити візуальний контроль якості пайки і забезпечує ремонтоздатність шару кожної вітки без порушення з'єднань.

Особливості конструкції модулів з розгалуженням струму

Ці особливості залежать, перед усім,від можливості схеми з'єднань різних каскадів між собою - їх електричною і тепловою специфікою.

Наступним кроком є складання напівмодуля шляхом пайки напівелементів до теплопереходу. При цьому не допускаються непропаяні проміжки між напівелментами та комутаційними пластинами, перемички припою між комутаційними пластинами. Не припустимими є наскрізні тріщини на півелементів, проте допускаються на їх поверхні наявність раковини чи не наскрізної тріщини розміром не більше 0.3 мм. Контроль проводиться під мікроскопом при 8-кратному збільшенні.

Рис. 13 Напівмодулі холодного та теплого каскадів

В результаті отримуємо термоелектричний модуль охолодження шляхом пайки напівмодулів теплого та холодного каскадів до теплопереходу. Висота модуля (першого каскаду модуля) повинна бути в межах 7.0±0.1 мм.

Рис. 14 Загальний вигляд термоелектричного модуля охолодження Напівмодуль теплого каскаду; 2- Напівмодуль холодного каскаду;3-Теплоперехід

Найпростіше (один термоелемент в першому каскаді) комірки двох- і трьохкаскадних термобатарей паралельного живлення показані на рис. 8,а. При необхідності збільшити число термоелементів в першому каскаді можливі два варіанти: послідовне з'єднання елементарних комірок побудова неперервного ланцюга (див. рис. 8,6). В останьому випадку повинно виконуватися правило: кожен наступний (більш гарячий) каскад має на один термоелемент ніж попередній. По іншому будуть порушені умови рівності напруг на термоелементах всіх каскадів (рис.8,б). Перший варіант дякуючи збільшеному відношенню чисел термоелементів у каскадах (n₁₊₁/n₂=2) при тих самих розмірах віток дозволяє досягти великих перепадів температур. Другий має менше термоелементів і, як наслідок цього, значно більш компактні.

Рис. 15 Схеми паралельного живлення термобатареї двокаскадної (а), трьохкаскадної (б),трьохкаскадної з порушенням умов рівності напруг на термоелементах (в) і чотирьох каскадної (г)

При послідовному електричному з'єднанні кожен наступний каскад підключають у розрив ланцюга одного із термоелементів попереднього каскаду (рис. 9,а). Розрив ланцюга відбувається на позитивній стороні, що зменшує перетік тепла по з'єднуюючих (між каскадами) дротах.

Рис. 16 Послідовне включення каскадів: а - схема з'єднання чотирьох каскадів, б - конструкція двокаскадної батареї

Електричні з'єднання вітки термоелементів суміжних каскадів повинні мати одинаків тип провідності.

Рис. 17 Схема комбінованого живлення каскалів: а - паралельно - послідовне з'єднання чотирьох каскадів;1-2 - паралельно, 2-3 - паралельно, 3-4 - послідовно,б - змішані живлення семикаскадної батареї:1-3, 4-5 - паралельно;інші каскади - послідовно,1 -підключення сусіднього каскаду;2 - температурозрівнюючапластина;3 - теплоперехід

Іноді застосовується змішане паралельно - послідовне живлення каскадів. При цьому зазвичай нижні каскади включаються послідовно, а верхні - паралельно - як між собою, так і попереднім каскадом (рис. 17). Таке включення втілюється технічно простіше. Можливі комбінації, при яких нижні каскади включаються паралельно між собою і парою верхніх каскадів, з'єнаних послідовно. Комбінування схем живлення розширює можливості виготовлення каскадних термобатарей.

3. Конструктивні особливості о термоелектричних мікромодулів охолодження

а) б)

Рис 18 Зовнішній вигляд 3-каскадного а) та 4-каскадного б) мікромодуля. 1. Термоелектричні вітки n- та p-типу; 2. Комутаційні вітки;3. Керамічні пластини

Уніфіковані ряди термобатарей

В останні роки все більш широке застосування находять уніфіковані і стандартизовані ряди термоелектричних батарей (модулів). Такі ряди в загальному випадку можуть містити декілька підрядів модулів, розрахованих на різні струми (l/s). В середині кожного підряду є декілька модулів з різним числом термоелементів. Модулі ряду поодинці або в різних комбінаціях можуть забезпечувати широкий діапазон холодовиробництва в різних умовах роботи. Можлива також побудова на базі модулів ряду каскадних термобатарей.

У даний час найбільш відпрацьованими та вживаними є ряди модулів типу «Селен», «ТБМ», «Мікрон», ТЕМО і ТЕБ.

Термоелектричні мікромодулі ТБМ.

Слабкострумові модулі ТБМ (мал.18) розроблені як охолоджувачі елементів мікроелектроніки. Найбільш вживані дві модифікації: ТБМ-2м і ТБМ-к, що розрізняються, в першу чергу, властивостями матеріалу, що використовується. Модулі містять по 18 термоелементів. Вірогідність безвідмовної роботи оцінюється в 0,9.

Можливі модифікації вказаних модулів, що складаються з термоелементів різних розмірів і ефективностей і виконані з керамічними або гофрованими теплопереходами. Наприклад, один з різновидів модулів ТБМ-к з керамічними теплопереходами містить сім термоелементів з гілками діаметром 0,9 мм і заввишки 5 мм. Оптимальний пристрій на термобатареях ТБМ-к будується з використанням наступних даних:=210 мкB/K, =1200 См/см, *=19·10^-3 Вт/(см·К), *=2,75·10^-3 К^-1, =0,065 Ом, *=25·10^-3Вт/К.

Рис. 19 Мікробатарея ТБМ

Вибір модулів проводиться за допомогою характеристик навантажень мал. 7 і 8 (для ТБМ) і рис 18(для ТБМ-к). Графіки відповідають температурі тепловідводу 300 К. Для вибраних значень струму і перепаду температури по характеристиці навантаження (мал. 21) визначається холодовиробництво одного модуля і необхідна кількість модулів. Залежності і слугують для визначення напруги і споживаної потужності.

Рис 20 Вольт-амперна характеристика батарей ТБМ при Т=295 К

Мікроохолоджувачі ТЕМО і ТЕБ.

Твердотільні електронні мiкроохолоджувачі (ТЕМО) і термоелектричні батареї (ТЕБ) призначені для використання як джерела холоду-тепла при охолодженні і термостабілізації різного роду пристроїв і приладів електронної техніки (елементів РЕА, ІК приймачів, лазерів, інтегральних мікросхем, світлодіодів та ін.). Основна особливість мікроохолоджувачів цього ряду (мал. 12) - модульний принцип побудови на уніфікованих по розмірам термоелементах. Відповідним компонуванням модулів можуть бути побудовані дво-пятикаскадні батереї при їх послідовному з'єднанні. Мікроохолоджувачі зберігають працездатність в діапазоні оточуючих температур -60... +60⁰С. Модулі виготовляються без теплового радіатора (ТЕБl-l і ТЕБ4-5 забезпечені мідною пластиною). В якості тепловідводу можуть бути використані конструкційні деталі пристроїв, в котрі встановлюються батареї.

Модулі забезпечені металізованими керамічними теплопереходами і можуть напаюватись на тепловідвід. Об'єкти охолодження також можуть напаюватися або приклеюватися, наприклад, еластичними компаундами і клеєм ВК-2. Неспряжені ділянки поверхні модуля теплоізолюються.

Мал. 21 Теплові характеристики ТБМ: залежність перепаду температур від робочого струму (а) і теплового навантаження (б)

Мал. 22 Характеристики навантажень мікромодуля з 18 термоелементів для холодовиробництва (--) і потужності (---)

Рис. 23 Мікроохолоджувач ТЕМО

Уніфіковані мікрохолодильники «Мікрон».

Мікрохолодильники цього типу призначаються для широкого використання при охолоджуванні малогабаритних об'єктів. Основний принцип, встановлений в основу розробки ряду - можливість побудови на базі мікрохолодильників оптимізованих термоелектричних пристроїв. З цією метою число термоелементів в мікрохолодильниках вибрано таким чином, щоб їх комбінації дозволяли реалізувати практично будь-яку кількість термоелементів, отриману розрахунковим шляхом.

Числа термоелементів в базових мікрохолодильниках і їх комбінаціях задовільняють ряду переважних чисел. Реальні фізичні параметри гілок термоелементів в середньому рівні:=200 мкB/K, =1050 См/см, *=16·10^-3 Вт/(см·К), *=2,6·10^-3 К^-1. Максимальний, перепад температури при температурі гарячої сторони мікрохолодильника 300 К становить 65... 70 К. Мікрохолодильники обладнані двома теплопереходами з металізованої кераміки, що дозволяє припаювати їх до об'єкту і тепловідводу і тим самим уникнути небажаних перепадів температури на теплових контактах.

При агрегатуванні декілька мікрохолодильників припаюються до температуровирівнюючої пластини, утворюючи єдину термобатарею. Ряд містить 4 підряди (діапазони), кожний із яких складається з вказаних конструкцій, але з різними розмірами термоелементів. Це розширює сферу його застосування, оскільки перекривається значний діапазон робочих струмів від 10 до одиниць ампера (і навіть долей ампера в в полегшених режимах). Вибір того або іншого діапазону визначається, в першу чергу, можливостями джерела живлення.



Рис. 24 Базові мікрохолодильники ряду «Мікрон» і каскад на їх основі

Мікрохолодильники ряду, очевидно, можуть компонуватися не тільки в однокаскадні, але і багатокаскадні термобатареї (мал. 24), звичайно, відповідно до результатів розрахунку. При цьому, якщо це необхідно, наприклад для каскадної термобатареї мінімальної маси, в окремих каскадах можуть використовуватися мікрохолодильники з різними струмами, тобто з різних діапазонів.

4. Аналіз переваг і недоліків мікромодулів охолодження

Широке застосування термоелектричних модулів охолодження зумовлене рядом їх переваг над традиційними компресійним охолодження, зокрема:

1) безшумність, оскільки в машині відсутні рухомі частини?

2) висока надійність, зумовлена відсутністю герметичної системи з холодильним агентом?

3) висока ремонтопридатність ремонт зводиться до заміни охолоджувального модуля?

4) екологічна чистота - відсутність холодильного агента?

5) можливість зміни напряму струму і переходу від охолодження до нагрівання?

6) можливість швидкого охолодження об'єктів?

7) висока точність регулювання температури?

8) малими габаритами;

9) відсутністю рухомих частин;

10) можливості досягати високих значень питомої холодопродуктивності через збільшення співвідношення S/L (тут S - площа термоелементу, L - висота його віток);

11) зниження теплової інерційності термоелектричних пристроїв простим зменшенням висоти віток термоелементів;

12) гранично просте управління процесами охолодження-нагріву через зміну струму енергоживлення.

В силу названих переваг термоелектричні модулі знайшли широке застосування в космічній та все оборотній техніці, де дуже важлива надійність.

Недоліком цих пристроїв ще й на сьогодні є їх низька ефективність - від 3 до 8 %, що обмежує більш широке практичне застосування. Якщо вдасться суттєво покращити термоелектричну ефективність, тоді пристрої, які базуються на термоелектричному ефекті, зможуть стати важливою частиною вирішення енергетичної проблеми сьогодення.



Висновок

1. Проведено огляд літератури поконструкціям та технологіяхмікромодулів охолодження

2. Приведено конструктивні особливості однокаскадних та багато каскадних термоелектричних мікромодулів.

3. Проведено аналіз переваг та недоліків мікромодулів охолодження.



Список літератури

1. 546047 Д.В. Зуев, Э.В. Осипов, И.И. Очковский Приспособление для сборки термоэлектрического модуля 03.10.1975. 05.02.1977.

2. 313252 В.И. Бутырский, В.Ф. Лебедев, Ф.Г. Матлин Способ герметизации термобатареи 29.05.1970 31.08.1971.

3. 111954 М.И. Жижаев,Е.А. Либерман, М.С. Смирнов Способ изготовления термоэлектрических батарей 13.06.1956.

4. 128520 А.Н. Воронин, Р.З. Гринберг Способ изготовления отрицательного и положительного электродов охлаждающего полупроводникового термоэлемента 07.09.1960 1960 (Б № 10).

5. 163656 В.С. Даниэль-Бек, И.С, Кацман, В.К, Кондратьев Способ изготовления термоелемента 09.01.1957 22.06.1964.

6. 534812 К.П. Стафеев, А.А. Бажин, Ю.П. Хорунжин, А.М. Алексеев Способ изготовления ветвей термоэлементов 06.06.1974. 05.11.1976.

7. 812115 В.Ю. Водолагин, М.Н. Сомкин, С.В. Андрущенко, В.В. Нетреба, Н.Н. Прошкин. Способ изготовления миниатюрной термобатареи 02.10.1979.

8. 820563 И.В. Азаров, В.В. Екимов, В.А. Ефимов и Н.Н. Поварков Способ изготовления термоэлектрических модулей. 18.02.1979 25.12.1979.

9. 835281 Г.А. Аракелов, В.П. Нестеров и Д.Ш. Абдинов Термоэлектрический холодильник 23.01.1980 30.05.1981.

10. 1463087, В.А. Наер, Л.А. Белозеров, И.В. Селянин, В.С. Спивак, А.Я. Хирич, Способ изготовления термоэлектрических модулей 10.02.1987.

11. 928964 В.И. Тихонов, И.В. Азаров, В.В. Килипенко, Н.Н. Поварков Способ изготовления термоэлектрических модулей 08.01.1981.

12. 2195045 C1 (МПК-7; H01L 21/50; H01L 35/34) Способ изготовления термоелектрических модулей 11.07.2001-20.12.2002.

13. А.А. Ащеулов, Ю.Г. Добровольский, И.С. Романюк Технология изготовления термоэлектрических модулей Пельтье повышенной надежности. 29.04.2004.

14. Е.А. Коленко. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Ленинград: "Наука". 1967.

15. И.В. Зорин, З.Я. Зорина. Термоэлектрические холодильники и генераторы. Леннинград: "Энергия". 1973.

16. Вайнер А.Л. Термоэлектрические охладители. М.: Радио и связь, 1983. 176 с.

17. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. К.: Наукова думка, 1979. 767 с.

18. Вайнер А.Л. Каскадные термоэлектрические источники холода. М.: Советское радио, 1976. 137 с.

19. Гольцман Б.М., Кузнецов В.А., Смирнов И.А., Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3. М.: Наука, 1972. 320 с.

20. Горкер Л.С., Бертоик И.Г., Начинов Г.Н. А.С. СССР № 990742. Способ активирования керамической поверхности. Заявл. 8.10.81. Бюл. Из. 3,1983.

21. Ащеулов А.А. Исследование технологических возможностей термоэлектрических модулей с целью автоматизации процессов их изготовления. Отчет по НИР №01900067959. Черновцы. ЧГУ. 1991, 126 с.

22. Зайцев А.П. Пути развития методов коммутации полупроводников для термоэлектрических преобразователей. Физика и химия обработки материаллов. 1968. №5. С. 137-140.

23. Рыкалин Н.М., Шоршоров М.Х., Красулин Ю.Л. Физические и химические проблемы соединения разнородных материалов. Изв. АН СССР Неорганические материалы. 1965. №1. С. 29-36.

24. Лобунец Ю.Н, Метод расчета и проектирования термоэлектрических переобразователей энергии. Изв. АН УССР.Киев: Наук.думка, 1989. 176 с.

25. Дружинин Г. В. Надежность устройств автоматики. М.: Энергия, 1967. 527 с.

26. И. А. ДрабкинТехнология изготовления охлаждающих термоэлек-трических модулей: резка материалов, коммутация, герметизация, обработка поверхностей модулей в кн. Термоэлектрическое охлаждение под ред. Л.П. Булата СПб.: СпбГУиПТ, 2002. 147 с.

27. 123216 Е.А. Коленко, А.Г. Таубер, А.Г. Щербина Способ спаивания медных коммутирующих пластин к электродам охлаждающих термоэлементов 16.01.1959 1966 (Б № 5).

28. 199946 Л.М. Драбкин Способ коммутации термоэлементов 25.09.1965 29.07.1967.

29. 227428 А.Ю. Бейлин, Л.Д. Дудкин, Н.П. Зыкова, Н.В. Коломец, В.А. Мазур, Д.Л. Тартаковский, М.А, Ханин Термоэлемент 06.07.1967 26.08.1969.

30. 422059 В.И. Пешель, Ю.Д. Николаев, А.Н. Дьяченко, М.Б. Розенман Коммутационный элемент термоэлектрической батареи 15.04.1972 30.03.1974.

31. 472402 Е.А. Коленко Способ устранения механических напряжений в термобатарее 18.09.1962 30.05.1975.

32. 813540 В.И. Грановский, Н.В. Коломоец, В.Г. Копаев, Л.В. Мещеркова, В.М. Ржевский, К.О. Сафронов Способ коммутации ветвей миниатюрных термобатарей 26.09.1977 15.03.1981.

33. 112018 А.Х. Черкасский Термоэлемент 10.12.1956.

34. 199223 Н.П. Данилов Устройство для сборки термоэлектрических модульных батарей 13.06.1966 13.07.1967.

35. Дружинин И. Теория надежности радиоэлектронных схем в при-мерах и задачах. М. : Энергия, 1976. 448 с.

36. Дудкин Л. Д, Маркман М. А., Соколова В. М. Исследование ресурсной стабильности низкотемпературных термобатарей. Гелиотехника, 1976, № 5, с. 6--12.

37. Ефимов В. А., Лупанов Б. С, Шаталова Н. Ф. Проблемы надежности полупроводниковых термоэлектрических приборов. Холодил, техника и технология, 1970, вып. 9, с. 3--5.

38. Датчики для измерения температур в промышленности. Киев : Наук, думка, 1972. 224 с.

39. Малевский Ю. Н., Цветков А. И. К вопросу расчета надежности работы модульного солнечного термоэлектрогенератора. Гелиотехника, 1971, № 1, с. 16--20.

40. . Махлин А Г., Хазанов М. Г. Надежность полупроводниковых термоэлектрических устройств. Гелиотехника, 1969, № 2, с. 65--69.

41. Привин М. Р., Чудновский А. Ф. Двумерное температурное поле полупроводниковой термоэлектрической батареи. Инж.-физ. журн., 1966, 10, № 2, с. 252--257.

Размещено на Allbest.ru

...