Твердотельный тепловой насос и жидкокристаллический экран с ним

Изобретение относится к измерительной технике. Предложен насос, состоящий из двух и более слоев из проводящих (в т.ч. полупроводниковых) материалов, соседние из которых имеют отличающиеся коэффициенты Пельтье. При этом указанная двухслойная или многослойная структура выполнена с возможностью контакта с терморегулируемым объектом для прямого теплообмена между соседними и удаленными областями объекта. Предложен также жидкокристаллический экран, на внутреннюю поверхность одной или обеих стенок которого наносят многослойную структуру предложенного выше теплового насоса, выполненную из прозрачных материалов. Эта структура может выполнять дополнительные функции: светофильтра, просветляющего покрытия, общего электрода, маски. Технический результат - повышение эффективности теплопереноса. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области технической физики и предназначено, в частности, для использования в электронике и в оптических (в т.ч. ИК-области) системах детектирования и отображения информации.

Общеизвестно, что приложенная к неравномерно нагретой поверхности пластина из материала с высокой теплопроводностью приводит к передаче (перекачке) тепла от областей с большей температурой к областям с меньшей температурой. Такая пластина выполняет роль твердотельного теплового насоса: поверхность касания с терморегулируемым объектом (контактная поверхность) обеспечивает теплообмен между этим объектом и пластиной, а сама пластина является транспортирующим тепло элементом. Геометрия как объекта терморегулирования, так и подобного теплового насоса в виде контактирующего с этим объектом слоя из материала с высокой теплопроводностью, может быть различной (стержень, труба, другая сложная фигура).

Например, для выравнивания температуры жидкого кристалла по поверхности жидкокристаллического экрана (ЖКЭ) используют жидкокристаллическую ячейку (ЖКЯ) со стенками из сапфира, что увеличивает теплообмен между более и менее нагретыми участками жидкокристаллического слоя в десятки раз по сравнению с вариантом, когда стенки выполнены из стекла /James В. Armstrong, James M. Henz, Sonia R. Dodd. Accomodation of COTS LKDs in military displays. Part of the SPIE Conference on Cockpit Displays V: Displays for Defence Applications, Orlando, Florida, April 1988, SPIE Vol.3363, pp.83-92/. Сапфировые стенки в данном устройстве являются прототипом предлагаемого твердотельного теплового насоса.

По самому принципу действия приведенные аналоги и прототип эффективны для осуществления теплообмена лишь при достаточно большой площади их поперечного сечения и малой длине, т.е. малом расстоянии, на которое транспортируется тепло. Перенос тепла от горячего участка к холодному у них не имеет адресного или направленного характера: тепло они переносят во все стороны, нагревая по пути не нуждающиеся в этом области терморегулируемого объекта. Кроме того, высока инерционность работы такого насоса. Дополнительным недостатком прототипа является сложность получения и полировки сапфира, имеющего твердость 9 по шкале Мооса.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности теплопереноса путем обеспечения преимущественно адресного и дозированного теплообмена с точным учетом температурного поля терморегулируемого объекта и на любых расстояниях, а также миниатюризация теплового насоса и уменьшение инерционности.

Указанная цель достигается тем, что тепловой насос выполнен в виде двух и более слоев из проводящих (имея в виду и полупроводники) материалов, соседние из которых имеют разные коэффициенты Пельтье, причем эта структура выполнена с возможностью контакта с терморегулируемым объектом для переноса тепла между разными областями объекта.

Работу предлагаемого теплового насоса проиллюстрируем на примере плоского двухслойного варианта.

Если в двух каких-либо разнесенных по поверхности локальных областях этой двухслойной структуры температура будет отличаться, то возникнет термо-ЭДС - эффект Зеебека. Это приведет к появлению электрического тока между этими областями: в одном слое - в одну сторону, в другом - в другую. Направление тока из слоя в слой в этих областях будет противоположным, что вызовет выделение тепла в одной из них, более нагретой, и поглощение тепла в другой, менее нагретой, - эффект Пельтье. Направление переноса тепла будет именно таким (от горячей области к холодной), т.к. в противном случае нарушался бы третий закон термодинамики. В каждой локальной области этой двухслойной структуры своя температура, своя термо-ЭДС, поэтому своя плотность тока из слоя в слой и, следовательно, количество отводимого или подводимого тепла определяется соотношением температуры в этой области и во всех остальных областях. Упрощенная эквивалентная схема этой структуры выглядит как множество параллельно соединенных источников напряжения, ЭДС которых зависит от температуры в данной области. Ток прекратится только при равенстве температуры по всей поверхности структуры. В контакте с терморегулируемым объектом описанная структура действует аналогично, выполняя функции теплового насоса. Инерционность предлагаемого насоса мала, т.к. вдоль поверхности объекта тепло переносится с помощью электрического тока и лишь на расстояниях порядка толщины многослойной структуры насоса переносится по механизму теплопроводности. При этом создается возможность прямого теплообмена не только между соседними областями объекта, но и между удаленными, которой не было при использовании устройства по прототипу.

Предлагаемое устройство не требует внешнего питания.

При увеличении числа слоев, соседние из которых выполнены из материалов с разными коэффициентами Пельтье, эффективность описанного теплового насоса возрастает и пропорциональна величине (n-1), где n - число слоев (не пар слоев).

Геометрия предлагаемого насоса может быть различной, а также может иметь, в отличие от аналогов, протяженные узкие участки (проводники), т.к. транспортировка тепла происходит не по механизму теплопроводности, а электрическим путем. Объект терморегуляции может иметь поэтому и несколько (или много) разнесенных областей.

Использование слоев из полупроводниковых материалов многократно повышает эффективность предлагаемого устройства.

Для использования в оптических приборах (экранах, приемниках излучения и др.) слои предлагаемого теплового насоса выполняются из прозрачных проводящих материалов.

Многослойная структура предлагаемого насоса может, при соответствующем подборе материалов и толщин слоев, совмещать функции других элементов: многослойного просветляющего, многослойного селективно отражающего, проводящего, маскирующего и др. покрытий.

Толщины слоев рассчитывают известным способом из условия соблюдения баланса требований к поперечной (для слоев) теплопроводности и допустимого джоулева нагрева, а также требований, возникающих из дополнительных функций структуры.

Целью предлагаемого изобретения является также повышение, по сравнению с приведенным выше прототипом, надежности работы и технологичности изготовления ЖКЭ, используемых, например, в качестве авиационных индикаторов, статичное изображение на которых и внешняя засветка вызывают локальный перегрев жидкокристаллического слоя, что приводит к потере вентильных свойств и/или искажению изображения из-за коробления.

Указанная цель достигается тем, что на внутреннюю поверхность одной или обеих стенок ЖКЯ нанесена прозрачная многослойная структура предложенного выше теплового насоса. Эта структура способствует охлаждению перегретых участков жидкокристаллического слоя за счет передачи тепла более холодным. Такая структура может одновременно с терморегулированием выполнять функции общего электрода и селективно отражающего, пропускающего или просветляющего покрытия. Толщины слоев для выполнения этих оптических функции подбираются по коэффициентам преломления материалов известным способом. Предлагаемая структура теплового насоса может быть нанесена и на поверхность матрицы управляющих электродов с тонкопленочными транзисторами по топологии маскирующего слоя с добавлением, при необходимости, диэлектрической прослойки. (При отсутствии отдельного маскирующего слоя хотя бы один из слоев теплового насоса или диэлектрический слой должен быть непрозрачным.) Это обеспечит тепловую разгрузку тонкопленочных транзисторов экрана. При использовании предложенного изобретения отпадает необходимость использования дорогостоящих и трудных в изготовлении сапфировых стенок, а также создается возможность выравнивания температуры экрана путем теплообмена между разнесенными по поверхности экрана областями с разной температурой.

Примером конкретного исполнения предложенного изобретения является ЖКЭ с тепловым насосом, выполненным на месте общего электрода на внутренней поверхности лицевой стеклянной стенки ЖКЯ этого экрана с размером изображения 211,8×157,7 мм и разрешающей способностью 640×480 полноцветных элементов изображения, в виде пяти чередующихся слоев оксида цинка (ширина запрещенной зоны 3,2 эВ) n- и р-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,0001 Ом·см толщиной 2 мкм каждый. При указанных параметрах интенсивность теплообмена через предлагаемый тепловой насос составляет несколько ватт при разности температуры отдельных областей экрана в 10 К. Эта величина сравнима с мощностью, потребляемой ЖКЯ (порядка 30 Вт), и мощностью внешней засветки (порядка 10 Вт), что вполне достаточно для выравнивания температуры жидкокристаллического слоя, т.к. тепловой насос имеет функцию перераспределения тепла, а не его отвода.

1. Твердотельный тепловой насос, содержащий контактную поверхность и транспортирующий элемент, отличающийся тем, что транспортирующий элемент выполнен в виде двух или более слоев проводящих (в т.ч. полупроводниковых) материалов, соседние из которых имеют разные коэффициенты Пельтье, при этом указанная двухслойная или многослойная структура выполнена с возможностью контакта с терморегулируемым объектом для прямого теплообмена между соседними и удаленными областями объекта.

2. Тепловой насос по п.1, отличающийся тем, что слои выполнены из прозрачных материалов.

3. Тепловой насос по п.2, отличающийся тем, что толщины прозрачных слоев теплового насоса обеспечивают либо просветление, либо селективное отражение или пропускание света.

4. Жидкокристаллический экран, включающий жидкокристаллическую ячейку (ЖКЯ) и матрицу управляющих электродов, отличающийся тем, что содержит тепловой насос по п.1, при этом прозрачная многослойная структура теплового насоса нанесена непосредственно на внутреннюю поверхность одной или обеих стенок ЖКЯ и/или многослойная структура теплового насоса, выполненная без требования прозрачности материалов, нанесена на поверхность матрицы управляющих электродов по топологии маскирующего слоя.