Твердотельное термоэлектрическое устройство
Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии. Сущность: твердотельное термоэлектрическое устройство содержит матрицу металлических проводниковых и/или полупроводниковых термоэлектрических элементов n-типа и р-типа, смонтированных на печатной схеме и образующих термопары, электрически соединенные последовательно. Конструкция содержит, по меньшей мере, пару слоистых элементов, каждый из которых образован из поддерживающего слоя, полученного из полимерного материала, и, по меньшей мере, из слоя проводящего материала, слоя соединяющего материала, расположенного между указанными двумя слоистыми элементами из полимерного материала, предназначенного для прочного соединения их друг с другом. Печатная схема получена из слоя проводящего материала слоистых элементов и электрически последовательно соединяет термоэлектрические элементы для образования термопар, имеющих горячую и холодную стороны соответственно только на одной стороне конструкции. Конструкция термоэлектрического устройства имеет свернутую в спираль или круглую конфигурацию. Технический результат: повышение эффективности. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 14 ил.
Настоящее изобретение, в общем, относится к термоэлектрическим устройствам, в частности к термоэлектрическому устройству, предназначенному для применения в твердотельном термоэлектрическом тепловом насосе.
Термоэлектрический эффект является явлением, которое имеет место при наличии в электрической цепи разности температур. Примером термоэлектрического эффекта является эффект Пелтье. Проще говоря, если электрический ток пропускают через переход металл-металл или металл-полупроводник, то в зависимости от направления электрического тока в переходе выделяется или поглощается тепло. Эффект Пелтье является реверсивным, то есть если направление электрического тока меняется на обратное, то холодный переход становится горячим, а горячий переход становится холодным. Было обнаружено, что более высокие разности температур достигаются при использовании переходов металл-полупроводник, чем при использовании переходов металл-металл. Эффект Пелтье является принципом работы твердотельных термоэлектрических насосов.
В настоящей заявке "термоэлектрическим устройством" названо твердотельное устройство, в котором для нагревания или охлаждения материала используется эффект Пелтье. "Термоэлектрическим элементом" называют металлический проводник или полупроводниковую пластину. Термин "термопара" означает комбинацию двух термоэлектрических элементов, которые на одном их конце последовательно электрически соединены через электрод.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Твердотельные термоэлектрические тепловые насосы выпускают на промышленной основе с 1960 года. Вначале тепловые насосы содержали термоэлектрические элементы на основе металлического проводника. В настоящее время современная полупроводниковая технология обеспечивает возможность получения твердотельных термоэлектрических тепловых насосов с термоэлектрическими элементами, образованными из сплавов Bi2Te3 , PbTe, SiGe, BiSb n-типа и р-типа. Термоэлектрические устройства, которые, в общем, известны на предшествующем уровне техники, имеют планарную конфигурацию переменных геометрических форм. В этом виде термоэлектрических устройств термопары поддерживаются в многослойной конструкции посредством элементов, полученных из керамического материала на основе Аl2О3 , ламинированного медью.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает получение термоэлектрического устройства с новым расположением термопар, образованных из металлических проводниковых и/или полупроводниковых термоэлектрических элементов n-тапа и р-типа. Настоящее изобретение обеспечивает также получение теплового насоса, содержащего термоэлектрическое устройство, соответствующее настоящему изобретению.
В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения твердотельное термоэлектрическое устройство содержит, по меньшей мере, матрицу металлических проводниковых и/или полупроводниковых термоэлектрических элементов n-типа и р-типа, смонтированных на печатной схеме, благодаря чему указанные термоэлектрические элементы образуют термопары, электрически соединенные последовательно, и отличается тем, что оно имеет конструкцию, образованную из, по меньшей мере, пары слоистых элементов, каждый из которых образован из поддерживающего слоя, состоящего из полимерного материала, и, по меньшей мере, слоя проводящего материала,
слоя соединяющего материала, расположенного между указанными двумя слоистыми элементами из полимерного материала, для прочного соединения их друг с другом, и тем, что
печатная схема получена из слоя проводящего материала слоистых элементов и электрически последовательно соединяет термоэлектрические элементы для образования термопар, имеющих горячую и холодную стороны соответственно только на одной стороне конструкции, и тем, что
указанная конструкция термоэлектрического устройства имеет свернутую в спираль или круглую конфигурацию.
В соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения твердотельное термоэлектрическое устройство содержит, по меньшей мере, матрицу металлических проводниковых и/или полупроводниковых термоэлектрических элементов n-типа и р-типа, смонтированных на печатной схеме, благодаря чему указанные термоэлектрические элементы образуют электрически соединенные последовательно термопары и отличается тем, что оно имеет конструкцию, образованную из
слоистого элемента, образованного из поддерживающего слоя, полученного из полимерного материала, и слоя проводящего материала на каждой его поверхности,
слоя соединяющего материала, расположенного между концевыми частями слоистых элементов для прочного соединения их между собой, и тем, что
печатная схема получена, по меньшей мере, из одного из слоев проводящего материала слоистого элемента и электрически последовательно соединяет термоэлектрические элементы для образования термопар, имеющих горячую и холодную стороны соответственно, только на одной стороне конструкции, и тем, что
указанная конструкция имеет свернутую в спираль или круглую конфигурацию.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, где
фиг.1 - частичное поперечное сечение термоэлектрического устройства, соответствующего первому варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.2 - частичное поперечное сечение термоэлектрического устройства, соответствующего второму варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.3 и фиг.4 - поперечное сечение термоэлектрического устройства, соответствующего первому или второму варианту осуществления настоящего изобретения, примененного для получения твердотельного теплового насоса,
фиг.5 - продольное сечение термоэлектрического устройства, соответствующего первому или второму варианту осуществления настоящего изобретения, используемого для получения твердотельного теплового насоса,
фиг.6 - вид сверху первого рисунка печатной схемы, используемого для образования термопар термоэлектрического устройства, соответствующего первому или второму варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.7 - вид сверху второго рисунка печатной схемы, используемого для образования термопар термоэлектрического устройства, соответствующего первому или второму варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.8 - поперечное сечение крепежного средства для соединения термоэлектрического устройства, соответствующего первому или второму варианту осуществления настоящего изобретения, с внутренней трубой теплообменника теплового насоса,
фиг.9 - частичное поперечное сечение термоэлектрического устройства, соответствующего третьему варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.10 - вид сверху рисунка печатной схемы, используемого для образования термопар термоэлектрического устройства, соответствующего третьему варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.11 - вид снизу рисунка печатной схемы, используемого для образования термопар термоэлектрического устройства, соответствующего третьему варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.12 - поперечное сечение крепежного средства для соединения термоэлектрического устройства, соответствующего третьему варианту осуществления настоящего изобретения, с внутренней трубой теплообменника твердотельного теплового насоса,
фиг.13 и фиг.14 - изометрические изображения теплового насоса, предусмотренного с любым одним вариантом осуществления термоэлектрических устройств, соответствующих настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 иллюстрируется первый вариант осуществления термоэлектрического устройства, соответствующего настоящему изобретению. В соответствии с первым вариантом осуществления термоэлектрическое устройство содержит пару слоистых элементов, каждый из которых образован из слоя полимерного материала и слоя металлического материала, как правило, из меди. Два слоистых элемента взаимно и непосредственно соединены вместе через их слои полимерного материала посредством введения между ними клеевого полимера, имеющего высокий коэффициент теплопроводности, например эпоксидной смолы, содержащей серебро или наполнитель на основе оксида металла. Соединенные таким образом слоистые элементы свертывают в спиральную или круглую конфигурацию для образования каркаса термоэлектрического устройства, используемого для получения твердотельного термоэлектрического теплового насоса. Рисунок печатной схемы, к которой присоединены термоэлектрические элементы, получают травлением металлического слоя. Следовательно, каждый виток свернутого в спираль или круглого сердечника образован из пары слоистых элементов, соединенных вместе посредством клея. Ссылочным номером 10 указано поперечное сечение металлических токопроводящих дорожек, к которым эвтектическим сплавом на основе олова соответственно припаяны термоэлектрические элементы 11 и 12 n-типа и р-типа. Ссылочным номером 13 указано поперечное сечение слоя полимерного материала, а ссылочным номером 14 указан слой клея, соединяющего вместе два слоистых элемента спирального или круглого сердечника для придания ей компактности и размерной стабильности. Толщина металлических токопроводящих дорожек 10 будет изменяться в зависимости от мощности и, следовательно, от максимального значения электрического тока, проходящего в термоэлектрическом устройстве, соответствующем настоящему изобретению. Толщина токопроводящих дорожек, безусловно, не должна быть недостаточной для предотвращения перегрева токопроводящих дорожек вследствие эффекта Джоуля. Предпочтительно, чтобы толщина токопроводящих дорожек была в диапазоне 70-300 мкм. Толщина слоя полимерного материала 13 зависит от механического усилия, прикладываемого при свертывании и упаковке сердечника термоэлектрического устройства. Практически толщина токопроводящей дорожки будет выбрана такой, чтобы гарантировать, с одной стороны, хорошую механическую прочность, а с другой стороны - эффективную теплопередачу. Предпочтительно, чтобы толщина токопроводящей дорожки была в пределах от 50 до 150 мкм. Слой клея 14 должен уплотнять и сглаживать контактирующие поверхности двух слоистых элементов для предотвращения образования воздушных пузырей и для выравнивания возможных поверхностных неоднородностей. Слой клея 14 также предназначен для обеспечения гарантии хорошей теплопередачи. Для этой цели должна быть использована термореактивная смола, например эпоксидная смола, содержащая мелко измельченный металлический наполнитель. Для ограничения количества наносимого материала и для образования тонкого слоя, толщина которого предпочтительно составляет не более 10-15 мкм, смолу наносят посредством шабера. Смола должна иметь такую композицию, чтобы она одновременно и полностью отверждалась в процессе пайки термоэлектрических элементов мягким припоем, которая осуществляется при температуре 140°С в случае применения полупроводниковых термоэлектрических элементов n-типа и р-типа.
На фиг.2 иллюстрируется второй вариант осуществления термоэлектрического устройства, соответствующего настоящему изобретению. В соответствии с этим вариантом осуществления термоэлектрическое устройство содержит пару слоистых элементов, причем каждый образован из слоя полимерного материала и двух металлических слоев, как правило, медных слоев, расположенных на двух противоположных поверхностях слоя полимерного материала. Эти два слоистых элемента взаимно и непосредственно соединены между собой через их более тонкие металлические слои посредством пайки мягким припоем. В зависимости от того, образует ли сердечник спиральные или круглые витки, должен быть использован слой эвтектического сплава Sn-In, который имеет температуру плавления 118°С, или слой эвтектического сплава Sn-Bi, который имеет температуру плавления 135°С. Рисунок печатной схемы, поддерживающий термоэлектрические элементы, получен на более толстом металлическом слое каждого из слоистых элементов. Эти два слоистых элемента одновременно спаивают с полупроводниками посредством пайки мягким припоем в случае свернутой в спираль формы сердечника и последовательно в случае свернутой круглой формы сердечника. В обоих случаях конечным результатом является свернутый сердечник, предназначенный для получения твердотельного теплового насоса. Ссылочным номером 10 указаны поперечные сечения металлических токопроводящих дорожек, на которые пайкой эвтектическим сплавом на основе олова припаяны термоэлектрические элементы 11 и 12 n-типа и р-типа соответственно. Ссылочным номером 13 указано поперечное сечение слоя полимерного материала, а ссылочным номером 15 указан более тонкий металлический слой. Ссылочным номером 16 указано поперечное сечение слоя эвтектического сплава Sn-In или Sn-Bi, которые соединяет вместе два слоистых элемента свернутого в спираль или круглого сердечника для придания ему компактности и размерной стабильности. Толщина металлических токопроводящих дорожек 10 будет изменяться в зависимости от мощности и, следовательно, от максимального значения электрического тока, проходящего в термоэлектрическом устройстве, соответствующем настоящему изобретению. Толщина токопроводящих дорожек, безусловно, не должна быть недостаточной для предотвращения перегрева токопроводящих дорожек вследствие эффекта Джоуля. Предпочтительно, чтобы толщина токопроводящих дорожек была в диапазоне 70-300 мкм. Толщина слоя полимерного материала 13 зависит от механического усилия, прикладываемого при свертывании и упаковке сердечника термоэлектрического устройства. Практически толщина токопроводящей дорожки будет выбрана такой, чтобы гарантировать, с одной стороны, хорошую механическую прочность, а с другой стороны - эффективную теплопередачу. Во втором варианте осуществления настоящего изобретения более тонкий металлический слой 15 не подвергается травлению, поскольку его задачей является обеспечение механической прочности. Следовательно, его толщина предпочтительно должна быть в диапазоне 35-100 мкм. Тонкий металлический слой 15 предназначен для поддержания эвтектического сплава, используемого для конечной пайки мягким припоем двух слоистых элементов свернутого в спираль или круглого сердечника. Предпочтительно, чтобы толщина тонкого металлического слоя 15 составляла от 15 до 30 мкм. Слой эвтектического сплава 16 осаждают заранее, по меньшей мере, на один из двух слоистых элементов, например, путем обслуживания или трафаретной печатью через маску для распределения композиции тиксотропной дисперсии эвтектического сплава на основе олова, образованной с соответствующим флюсом. Выбор термоэлектрического устройства, сделанный в соответствии с первым или вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, зависит от технических норм на проектирование и затрат на производство.
На фиг.3 и 4 иллюстрируется поперечное сечение термоэлектрического устройства, соответствующего первому или второму варианту осуществления настоящего изобретения. Это термоэлектрическое устройство используется для получения твердотельного теплового насоса. Размер теплового насоса может изменяться в зависимости от его номинальной мощности. Ссылочными номерами 17 и 18 указаны внутренняя и внешняя трубы соответственно теплообменника, применяемые в твердотельном термоэлектрическом тепловом насосе. Ссылочным номером 19 указаны охлаждающие ребра внешней трубы теплообменника. Внешняя труба 17 теплообменника расположена вокруг свернутого в спираль или круглого сердечника 20, показанного на фиг.3 и 4. Температура охлаждающих ребер зависит от количества тепла, которое должно быть рассеяно, принимая во внимание тот факт, что температура труб теплообменника не должна превышать 50-55°С для того, чтобы гарантировать хорошую работу теплового насоса. В альтернативном варианте осуществления труба 17 теплообменника может быть предусмотрена с меньшими охлаждающими ребрами, а внутри предусмотрена с полостью, через которую циркулирует охлаждающая жидкость. Вся труба 17 теплообменника может быть изготовлена из алюминия, а ее толщина должна быть способной придавать конструкции некоторую гибкость для обеспечения гарантии уплотнения поверхностей, находящихся в прямом контактном взаимодействии. Кроме того, в случае свернутого в спираль сердечника, иллюстрируемого на фиг.3, контур внешней трубы 17 теплообменника должен принимать во внимание эксцентричность конструкции, которую образует свернутый в спираль сердечник. Как очевидно, в термоэлектрическом устройстве, соответствующем первому и второму вариантам осуществления настоящего изобретения, сердечник имеет конструкцию, образованную из всех термопар, поддерживаемых слоем полимерного материала слоистых элементов. Витки, образующие свернутый сердечник, плотно упакованы и соединены вместе посредством теплопроводного клея в случае слоистых элементов, иллюстрируемых на фиг.1, или посредством эвтектического сплава Sn-In или Sn-Bi в случае слоистых элементов, иллюстрируемых на фиг.2. Число витков, образующих свернутый сердечник, зависит от номинальной мощности термоэлектрического теплового насоса. Экспериментальные результаты показывают, что оптимальную эффективность получают при числе витков в диапазоне от 1 до 15, без чрезмерных затрат на производство. Ссылочным номером 21 указано местоположение двух металлических проводников или полупроводниковых термоэлектрических элементов n-типа и р-типа, припаянных мягким припоем на конструкции свернутого в спираль или круглого сердечника. Труба 18 теплообменника может быть целиком изготовлена из меди, а в случае свернутого в спираль сердечника, иллюстрируемого на фиг.3, она имеет такие контуры, чтобы обеспечивать в той части, где непосредственно поддерживаются слоистые элементы, канавку, которая компенсирует эксцентричность, вызываемую конструкцией, образующей свернутый в спираль сердечник. Если это делается так, то предотвращается возникновение какой-либо области отсутствия контактного взаимодействия, возникающей между слоистыми элементами и металлической поверхностью внутренней трубы 18 теплообменника. И, наконец, ссылочным номером 22 указана внутренняя полая часть внутренней трубы 18 теплообменника, через которую проходит поток рабочей жидкости.
На фиг.5 иллюстрируется продольное сечение теплового насоса, показанного на фиг.3. Ссылочным номером 20 указано местоположение свернутого в спираль или круглого сердечника внутри теплового насоса. Витки плотно упакованы, а внешняя и внутренняя трубы 17 и 18 соответственно теплообменника смонтированы так, чтобы предотвращать образование воздушных пузырей между поверхностями, находящимися в контактном взаимодействии. Внутренняя труба 18 теплообменника имеет такие контуры, чтобы принимать во внимание эксцентричность конструкции образующегося свернутого в спираль сердечника. В противоположность этому концевые части внутренней трубы 18 теплообменника имеют по существу круглое поперечное сечение. Размеры внутренней трубы 18 теплообменника, безусловно, зависят от величины предполагаемого теплообмена. Тепловой насос предусмотрен с двумя торцевыми крышками 23 и 25, которые закрывают узел теплового насоса. Передняя крышка 23 выполнена из термоизоляционного полимерного материала, например политетрафторэтилена, поливинилиденфторида, полиамида-6,6, полиэтилена высокой плотности, для того чтобы термически изолировать соответствующую сторону теплового насоса и предотвратить образование конденсата. Выбор материала зависит от технических норм на проектирование. Внешняя труба 17 теплообменника, которая окружает и охватывает свернутый сердечник 20, является круглой в поперечном сечении в случае круглого свернутого сердечника, тогда как ее внешние контуры таковы, чтобы принимать во внимание эксцентричность конструкции, образуемой свернутым сердечником в случае свернутого в спираль сердечника. Внешняя труба 17 теплообменника должна иметь толщину, гарантирующую соответствующую гибкость, при ее уплотнении и блокировании вокруг свернутого сердечника. Ссылочным номером 19 указаны охлаждающие ребра, которые образуют одно целое с внешней трубой 17 теплообменника. Общая радиационная поверхность ребер зависит от номинальной мощности и от того, применяется или не применяется система принудительного воздушного охлаждения. В альтернативное варианте внешняя труба 17 теплообменника может применяться с меньшими охлаждающими ребрами и предусмотрена внутри с полостью, через которую циркулирует охлаждающая жидкость. Ссылочным номером 24 указан статор центробежного насоса циркуляционного насоса, предусмотренного внутри задней крышки 25 теплового насоса. Скорость потока циркуляционного насоса зависит от общей протяженности теплообменного контура и предполагаемой интенсивности теплообмена. Пример, иллюстрируемый на фиг.5, относится к системам нагрева или охлаждения, в которой в теплообменном контуре предусмотрен один тепловой насос. Однако могут быть также получены модульные системы нагрева и охлаждения, содержащие два или более тепловых насоса, соединенных последовательно, и один циркуляционный насос для тепловых насосов, предусмотренный снаружи. Ссылочным номером 26 указано рабочее колесо циркуляционного насоса. Рабочее колесо закреплено на валу 27 электродвигателя (не показан). Охлаждающий вентилятор, предназначенный для создания принудительного воздушного потока, предназначенного для прохождения через охлаждающие ребра 19 внешней трубы 17 теплообменника, также может быть закреплен на валу 27. Задняя крышка 25 выполнена из термоизоляционного полимерного материала, например политетрафторэтилена, поливинилиденфторида, полиамида-6,6, полиэтилена высокой плотности, для того чтобы термически изолировать соответствующую концевую часть теплового насоса и предотвратить образование конденсата. Выбор материала зависит от технических норм на проектирование. В случае модульных систем нагрева или охлаждения, в которых два или более тепловых насоса соединены последовательно, эти две крышки могут быть совершенно идентичными и симметричными одна другой. В этом случае циркуляция рабочей жидкости через тепловой насос будет гарантироваться внешним циркуляционным насосом. И, наконец, ссылочным номером 28 указана металлическая спираль, вставленная во внутреннюю трубу 18 теплообменника. Металлическая спираль 28 предназначена для увеличения времени пребывания рабочей жидкости внутри теплового насоса и для создания турбулентного потока, который увеличивает теплообмен. Металлическая спираль 28 может быть выполнена из нержавеющей стали и смонтирована с натягом внутри внутренней трубы 18 теплообменника в процессе выполнения конечной сборочной операции теплового насоса.
На фиг.6 иллюстрируется первый рисунок печатной схемы слоистых элементов термоэлектрического насоса, соответствующего настоящему изобретению, на которой поддерживаются термоэлектрические элементы. Длина и ширина слоистого элемента с печатной схемой и длинами L1, L2 его концевых частей зависят от номинальной мощности теплового насоса и, следовательно, они ограничены техническими нормами на проектирование. Для номинальной мощности не более 500 Вт могут быть предусмотрены конфигурации, в которых используется одна матрица термоэлектрических элементов, соединенных последовательно. Для более высокой номинальной мощности токопроводящие дорожки печатной схемы должны иметь большую толщину. Ссылочным номером 29 указана концевая часть слоистого элемента, предназначенная для крепления его к внутренней трубе 18 теплообменника теплового насоса. Ссылочным номером 30 указаны соединительные клеммы печатной схемы, с которыми соединен внешний источник электропитания. Ссылочным номером 31 указана печатная схема, на которой мягким припоем припаяны термоэлектрические элементы. В случае свернутого в спираль сердечника, иллюстрируемого на фиг.3, расстояние между токовыми дорожками ((прим. пер.) между каждой токовой дорожкой) печатной схемы должно учитывать расстояние между термоэлектрическими элементами внутри конструкции, когда ей в процессе свертывания придается переменная кривизна.
На фиг.7 иллюстрируется второй рисунок печатной схемы слоистых элементов термоэлектрического насоса, соответствующего настоящему изобретению, на которой поддерживаются термоэлектрические элементы. И в этом случае длина и ширина слоистого элемента с печатной схемой и длинами L1, L2 его концевых частей также зависят от номинальной мощности теплового насоса и, следовательно, они также ограничены техническими нормами на проектирование. Для номинальной мощности более 500 Вт удобно обеспечивать конфигурацию, образованную из двух или более электрически разделенных матриц термоэлектрических элементов, соединенных последовательно. Такая конфигурация позволяет оптимизировать толщину слоистого элемента. В том случае, если требуется более высокая мощность, то токопроводящие дорожки печатной схемы должны иметь большую толщину. Ссылочным номером 32 указана концевая часть слоистого элемента, предназначенная для крепления его к внутренней трубе 18 теплообменника теплового насоса. Ссылочным номером 33 указаны соединительные клеммы печатной схемы, с которыми соединен внешний источник электропитания. Ссылочным номером 34 указана печатная схема, на которой мягким припоем припаяны термоэлектрические элементы. В случае свернутого в спираль сердечника, иллюстрируемого на фиг.3, расстояние между токовыми дорожками печатной схемы должно учитывать расстояние между термоэлектрическими элементами внутри конструкции, когда ей в процессе свертывания придается переменная кривизна. Ссылочным номером 35 указывается группа электрически разделенных матриц термоэлектрических элементов. Такая конфигурация позволяет модулировать всю электрическую мощность теплового насоса и предотвращать ухудшения работы теплового насоса, вызванного эффектом Джоуля.
На фиг.8 иллюстрируется центральное поперечное сечение внутренней трубы 18 теплообменника. В частности, иллюстрируется крепежная система, посредством которой конструкция свернутого в спираль сердечника термоэлектрического устройства, соответствующего настоящему изобретению, соединена с внутренней трубой теплообменника теплового насоса. Крепежная система предотвращает смещение поверхностей слоистых элементов, которые поддерживают металлические токопроводящие дорожки, на которые припаяны мягким припоем термоэлектрические элементы, в процессе выполнения технологической операции свертывания. Смещение слоистых элементов может вызвать нарушение электрического контакта. Ссылочным номером 36 указана пластина, обеспечивающая равномерность крепления концевой части конструкции. Пластина 36 прикреплена к корпусу внутренней трубы 18 теплообменника винтами, которые не показаны на фиг.8. Ссылочным номером 37 указана прорезь, предусматриваемая на этапе радиальной компенсации внутренней трубы 18 теплообменника. Эта прорезь предназначена для обеспечения равномерности крепления концевой части конструкции и для приложения усилия крепления при ввинчивании указанных винтов. Ссылочным номером 38 указано местоположение термоэлектрических элементов n-типа и р-типа внутри конструкции, а ссылочным номером 39 указано поперечное сечение поддерживающих слоистых элементов. Показано также поперечное сечение внутренней трубы 18 теплообменника. Стрелка F слева от поперечного сечения указывает направление вращения внутренней трубы 18 теплообменника в процессе технологической операции свертывания конструкции.
На фиг.9 иллюстрируется третий вариант осуществления термоэлектрического устройства, соответствующего настоящему изобретению. В соответствии с третьим вариантом осуществления третий вариант осуществления содержит один слоистый элемент, образованный из слоя полимерного материала и пары металлических слоев, как правило, пары медных слоев, причем каждый из слоев покрывает одну из противоположных поверхностей слоя полимерного материала. Концевые части слоистого элемента в свернутой конфигурации соединены вместе посредством клеевого полимера, имеющего высокий коэффициент теплопроводности, например эпоксидной смолы, содержащей серебро или наполнитель на основе оксида металла. Слоистый элемент свернут в спиральную или круглую конфигурацию для образования сердечника термоэлектрического устройства, применяемого в твердотельном термоэлектрическом тепловом насосе. Рисунок печатной схемы, с которой соединены термоэлектрические элементы, образован травлением на обоих металлических слоях. Следовательно, каждый виток свернутого в спираль или круглого сердечника образован из одного слоистого элемента, концы которого соединены вместе посредством клея. Ссылочным номером 10 указано поперечное сечение металлических токопроводящих дорожек, на которые мягким припоем припаяны термоэлектрические элементы 11 и 12 n-типа и р-типа соответственно, при использовании эвтектического сплава на основе олова. Ссылочным номером 13 указано поперечное сечение слоя полимерного материала. Толщина металлических токопроводящих дорожек 10 будет изменяться в зависимости от мощности и, следовательно, от максимального значения электрического тока, проходящего через термоэлектрическое устройство, соответствующее настоящему изобретению. Толщина токопроводящих дорожек, безусловно, не должна быть недостаточной для предотвращения перегрева токопроводящих дорожек вследствие эффекта Джоуля. Предпочтительно, чтобы толщина токопроводящих дорожек была в диапазоне 70-300 мкм. Толщина слоя полимерного материала 13 зависит от механического усилия, прикладываемого при свертывании и упаковке сердечника термоэлектрического устройства. Практически толщина токопроводящей дорожки будет выбрана такой, чтобы гарантировать, с одной стороны, хорошую механическую прочность, а с другой стороны - эффективную теплопередачу. Предпочтительно, чтобы толщина токопроводящей дорожки была в пределах от 35 до 150 мкм.
На фиг.10 и 11 иллюстрируется расположение токопроводящих металлических дорожек, предусмотренных на обеих противоположных поверхностях слоя полимерного материала. Эти токопроводящие дорожки образуют печатную схему, на которой мягким припоем припаяны термоэлектрические элементы. Рисунок печатной схемы, с которой соединены термоэлектрические элементы, получен травлением металлического слоя. Длина и ширина слоистого элемента с печатной схемой и длины L1, L2 на одной стороне и L3, L4 на другой стороне его концевых частей зависит от номинальной мощности теплового насоса и, следовательно, они ограничены техническими нормами на проектирование. Свободные концы слоистого элемента соединены вместе посредством клеевого слоя, образованного из теплопроводной эпоксидной смолы, содержащей мелкоизмельченные металлические элементы. Для ограничения количества наносимого материала и для образования тонкого слоя, предпочтительно имеющего толщину не более 10-15 мкм, смолу наносят шабером.
На фиг.12 иллюстрируется центральное поперечное сечение внутренней трубы 18 теплообменника. В частности, иллюстрируется крепежная система, посредством которой конструкция термоэлектрического устройства, соответствующего настоящему изобретению, соединена с внутренней трубой теплообменника теплового насоса. Крепежная система предотвращает смещение поверхностей слоистых элементов, которые поддерживают металлические токопроводящие дорожки, на которые припаяны мягким припоем термоэлектрические элементы, в процессе выполнения технологической операции свертывания. Смещение слоистых элементов может вызвать нарушение электрического контакта. Ссылочным номером 37 указана прорезь, предусматриваемая на этапе радиальной компенсации внутренней трубы 18 теплообменника. Эта прорезь предназначена для обеспечения равномерности крепления концевой части конструкции и для приложения усилия крепления при ввинчивании указанных винтов. Ссылочным номером 38 указано местоположение термоэлектрических элементов n-типа и р-типа внутри конструкции, а ссылочным номером 39 указано поперечное сечение поддерживающих слоистых элементов. Показано также поперечное сечение внутренней трубы 18 теплообменника. Стрелка F слева от поперечного сечения указывает направление вращения внутренней трубы 18 теплообменника в процессе технологической операции свертывания конструкции. Предпочтительно, чтобы полимерный материал поддерживающего слоя был пленкой, полученной из полиамида, полибутилентерефталата, полиэтиленнафталата, поликарбоната, полиамида-6, сополиамида 6-Х, где Х=6, ...12, полиариламида MXD6, полифенилена, полифениленсульфида, сополимера поликарбонат-полибутилена и терефталата, сополимера поликарбонат-полиэтилена и нафталата, сополимера поликарбонат-полиарила и амида, сополимера полибутилена и терефталат-полиамида или сополиамида, поликетона.
На фиг.13 приведено изометрическое изображение теплового насоса, иллюстрируемого на фиг. фиг.3, 4 и 5 и предусмотренного с принудительным воздушным охлаждением внешней трубы теплообменника. На фиг.14 приведено изометрическое изображение теплового насоса, иллюстрируемого на фиг. фиг.3, 4 и 5 и предусмотренного с жидкостным охлаждением внешней трубы теплообменника.
Из вышесказанного очевидно, что свернутый в спираль или круглый сердечник позволяет получать витки, имеющие размеры, увеличивающиеся в диаметре, в котором горячая/холодная поверхность (в зависимости от направления электрического тока) каждого витка обменивается теплом с холодной/горячей поверхностью непосредственно смежного витка. В этом случае относительно геометрически планарной конфигурации, известной на предшествующем уровне техники, результирующая эффективность системы увеличивается, поскольку уменьшается общее сопротивление свернутого в спираль сердечника.
Настоящее изобретение позволяет получать твердотельные термоэлектрические тепловые насосы средней мощности и высокой эффективности. Такие тепловые насосы годны к употреблению в области искусственного охлаждения для создания холодильных установок, не оказывающих вредного влияния на окружающую среду, без применения вредных газов. Другими возможными применениями теплового насоса, соответствующего настоящему изобретению, являются промышленные, морские, авиационные, приборные, автомобильные и строительные системы охлаждения и нагрева.
Источником электропитания для теплового насоса может быть источник постоянного тока с напряжением, которое зависит от определенных технических норм на проектирование. Если тепловой насос установлен в области, где источник постоянного тока непосредственно недоступен, а доступен только источник переменного тока, то будет предусмотрен силовой преобразователь переменного тока в постоянный ток с пульсацией выпрямленного тока не более 10%.
Формула изобретения
1. Твердотельное термоэлектрическое устройство, содержащее по меньшей мере матрицу металлических проводниковых и/или полупроводниковых термоэлектрических элементов n-типа и р-типа, смонтированных на печатной плате, отличающееся тем, что оно имеет конструкцию, образованную из по меньшей мере, одной пары слоистых элементов, причем каждый элемент образован из поддерживающего слоя, полученного из полимерного материала, и по меньшей мере на одну поверхность которого нанесен слой проводящего материала; слоя соединяющего материала, расположенного между двумя слоистыми элементами указанной по меньшей мере одной пары, предназначенного для прочного соединения их друг с другом так, чтобы по меньшей мере один из указанных слоев проводящего материала образовывал внешний слой указанной пары, и тем, что печатная плата состоит из слоя проводящего материала слоистых элементов и электрически последовательно соединяет термоэлектрические элементы для образования термопар, имеющих горячую и холодную стороны соответственно, только на одной стороне конструкции, и тем, чтоуказанная конструкция термоэлектрического устройства имеет свернутую в спираль или круглую конфигурацию.
2. Термоэлектрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый элемент по меньшей мере одной пары слоистых элементов образован из слоя, полученного из полимерного материала, на каждой поверхности которого расположен слой проводящего материала.
3. Термоэлектрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что поддерживающий слой полимерного материала образован из пленок без ориентации или с ориентацией в одном или двух направлениях.
4. Термоэлектрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что материал соединяющего слоя образован из теплопроводной термореактивной смолы.
5. Термоэлектрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что материал соединяющего слоя образован из эвтектического сплава.
6. Термоэлектрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что печатная плата образована из одной схемы, которая проходит по всей длине обмотки.
7. Термоэлектрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что печатная плата образована из матрицы электрически разделенных схем.
8. Термоэлектрическое устройство по п.3, отличающееся тем, что полимерный материал, который образует поддерживающий слой, является пленкой, полученной из полиамида, полибутилентерефталата, полиэтиленнафталата, поликарбоната, полиамида 6, сополиамида 6-Х, где Х=6...12, полиариламида MXD6, полифенилена, полифениленсульфида, сополимера поликарбонат-плибутилена и терефталата, сополимера поликарбонат-полиэтилена и нафталата, сополимера поликарбонат-полиарила и амида, сополимера полибутилена и терефталат-полиамида или сополиамида, поликетона.
9. Термоэлектрическое устройство по п.4, отличающееся тем, что термореактивная смола соединяющего слоя является теплопроводной эпоксидной смолой, акрилатом, силиконовой смолой или аналогичным веществом.
10. Твердотельный термоэлектрический тепловой насос, содержащий термоэлектрическое устройство по п.1, отличающийся тем, что содержит теплообменник, имеющий внутреннюю трубу, через которую проходит рабочая жидкость, внешнюю трубу, расположенную соосно с указанной внутренней трубой, твердотельное термоэлектрическое устройство, расположенное между указанными внутренней и внешней трубами и в тесном контактном взаимодействии с ними, торцевые крышки, предусмотренные с впускным и выпускным отверстиями для рабочей жидкости и имеющие жидкостное сообщение с указанной внутренней трубой, циркуляционное средство, предназначенное для обеспечения циркуляции рабочей жидкости внутри внутренней трубы, генератор турбулентного течения, расположенный внутри указанной внутренней трубы и выполненный с возможностью генерирования турбулентного течения рабочей жидкости, электрический соединитель, предназначенный для соединения термоэлектрического устройства с внешним источником электропитания, и датчик температуры, предназначенный для распознавания возможного перегрева на поверхностях указанных внутренней и внешней труб.
11. Тепловой насос по п.10, отличающийся тем, что на внешней поверхности трубы теплообменника предусмотрены охлаждающие ребра.
12. Тепловой насос по п.10, отличающийся тем, что внутри одной из торцевых крышек теплового насоса предусмотрены средства для циркуляции рабочей жидкости.
13. Тепловой насос по п.11, отличающийся тем, что он содержит вентилятор для генерирования принудительного воздушного потока через охлаждающие ребра внешней трубы.
14. Тепловой насос по п.10, отличающийся тем, что внутри внешней трубы предусмотрена полость, через которую циркулирует охлаждающая жидкость.
15. Тепловой насос по п.10, отличающийся тем, что термоэлектрическое устройство прикреплено к внутренней трубе теплообменника и непосредственно или косвенно поддерживается ей.
16. Тепловой насос по п.10, отличающийся тем, что термоэлектрическое устройство непосредственно или косвенно поддерживает внешнюю трубу теплообменника.
17. Термоэлектрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит несколько спиралей - от 1 до 15.
РИСУНКИ
