Пространственно ориентированный термоэлектрический модуль и способ его изготовления



Пространственно ориентированный термоэлектрический модуль и способ его изготовления
Пространственно ориентированный термоэлектрический модуль и способ его изготовления
Пространственно ориентированный термоэлектрический модуль и способ его изготовления

 


Владельцы патента RU 2611562:

Общество с ограниченной ответственностью "Термостат+" (RU)

Изобретение относится к области создания термоэлектрических модулей для прямого и обратного преобразования тепловой и электрической энергии. Сущность: на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати наносят соединительные дорожки для одноименных элементов и коммутирующие дорожки для разноименных элементов. Затем наносят барьерные дорожки с помощью диэлектрической пасты так, чтобы образовались углубления (ячейки) между соединительными и коммутирующими дорожками. В углубления (ячейки) последовательно аналогичным способом наносят полупроводниковые дорожки пастой, изготовленной на основе полупроводников n-типа и p-типа, которые затем подвергают предварительной сушке для удаления органического связующего и процессу спекания под давлением. Технический результат: упрощение процесса изготовления, повышение производительности, снижение затрат. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к области создания термоэлектрических (модулей) преобразователей для прямого и обратного преобразования тепловой и электрической энергии (термоэлектрические генераторы (эффект Зеебека), термоэлектрические охладители (эффект Пельтье)).

Термоэлектрические преобразователи представляют собой совокупность последовательно соединенных в чередующуюся цепь термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам p-типа проводимости, переход между которыми осуществляется на противоположных плоскостях диэлектрических пластин. Проводники n- и p-типов изготавливаются в виде «столбиков», пространственно объединяющих две параллельные пластины (зоны) в единое устройство. Количество «столбиков» может достигать несколько сотен пар, при этом стандартное расстояние между пластинами (зонами теплообмена) 2-3 мм, удалить на большее расстояние пластины (зоны) теплообмена друг от друга удается только в единичных вариантах при значительном удорожании технологического процесса и снижении надежности его работы.

Известен термоэлектрический модуль /Патент РФ на полезную модель № 136640, H01L 35/00, 2013/, включающий в себя полупроводниковые элементы с проводимостями р- и n-типов, соединенные между собой металлическими шинами с высокой электропроводимостью в единую электрическую цепь и размещенные между подложками, отличающийся тем, что все горячие спаи соединены с подложками, а все холодные спаи, соединенные металлическими шинами с высокой электропроводностью, разнесены, при этом длина каждого металлического проводника обеспечивает возможность разнесения этих спаев на заданное расстояние.

Известен термоэлектрический модуль /Патент РФ № 2545317, H01L 35/30, 2015 г./, содержащий полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, токовые выводы и теплопроводы, между которыми расположена активная структура. Теплопроводы соединены между собой по периметру и/или внутри активной структуры клеящим компаундом. Токовые выводы имеют зигзагообразную форму на концах, примыкающих к активной структуре. При этом один конец каждого токового вывода припаян к коммутационному токопроводу, а второй конец свободен для подключения в термоэлектрическую систему

Ближайшим аналогом является термоэлектрический модуль /патент РФ 2325731, H01L 35/28, H01L 35/34, 2008 г./, содержащий полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов проводимости, соединенные в единую электрическую цепь последовательно в чередующемся порядке таким образом, что при прохождении по цепи контакты от термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам р-типа проводимости расположены на одной грани модуля, а контакты от термоэлементов р-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости расположены на противоположной грани модуля, каждая из указанных граней имеет тепловой контакт и механически связана с диэлектрической пластинкой, на одной из которых установлены токовводы модуля, соединенные с цепью термоэлементов, термоэлементы покрыты слоем электрически прочного диэлектрика, пространство между термоэлементами заполнено клеящим материалом, а на концах цепи термоэлементов установлены два диэлектрических элемента, две грани каждого из которых имеют металлическое покрытие, соединенное с одним из токовводов модуля и с одним из крайних в цепи термоэлементов. Диэлектрическая пластина, на которой установлены токовводы, имеет большие размеры и выступает за габариты диэлектрической пластины без токовводов со стороны токовводов.

Известен способ изготовления модулей Пельтье /патент РФ 2433506, H01L 35/08, H01L 35/34, 2011/ с расположенными между двумя подложками несколькими элементами Пельтье, которые при изготовлении соединяют на токоподводящей стороне посредством спекаемого слоя или приваривания спеканием с контактной поверхностью. Причем изготовление элементов Пельтье и приваривание спеканием осуществляют в ходе совместной операции с использованием маски, содержащей множество отверстий. Маску наносят соответственно на подготовленную керамическую подложку с контактными поверхностями таким образом, что каждое отверстие находится над контактной поверхностью. Отверстия заполняют материалом для изготовления элементов Пельтье, который затем путем спекания и приложения давления превращают в элементы Пельтье. При этом отверстия заполняют материалом для изготовления элементов Пельтье в виде порошковой смеси. Спекание и приваривание спеканием осуществляют посредством искроплазменного способа спекания при приложении давления спекания.

Известен способ изготовления термоэлектрического элемента /патент РФ 2475889, H01L 35/08, H01L 35/34, 2013/, имеющего термопары, содержащие полупроводник n-типа и полупроводник р-типа. Оба полупроводника приваривают к электропроводному контактному материалу. Полупроводники n-типа и полупроводники p-типа термопар приваривают к контактному материалу в ходе отдельных процессов сварки. Причем одновременно сваривают все полупроводники n-типа одной стороны термоэлектрического элемента и/или все полупроводники p-типа одной стороны термоэлектрического элемента.

Ближайшим аналогом является способ изготовления термоэлементов /Пат. Японии 63020881, G04C 10/00; H01L 35/16; H01L 35/32; H01L 35/34, 1988 г.), согласно которому эпоксидной смолой склеивают множество полупроводниковых пластин n- и р-типа проводимости в чередующемся порядке, эффективно без сборки несколько тысяч мельчайших элементов соединены по одному, поочередно ламинированием табличного n-типа и p-тип термоэлектрических материалов и теплоизоляционных материалов в порядке тепла изоляционного материала с получением траншей, секции которых заполнены эпоксидной смолой. Смежные разделы же термоэлектрического материала на нижних концах удаляются с помощью полировки, формируя таким образом термоэлементы, в которых n-тип и p-тип термоэлементов расположены постоянно на теплоизоляционном материале. Полученный блок разрезают в перпендикулярном слоям направлении на пластины, которые склеивают эпоксидной смолой в матрицу, содержащую несколько тысяч термоэлементов.

Недостатком известных способов является низкая производительность, сложность технологического процесса, низкая эффективность термоэлектрического модуля из-за высокого коэффициента теплопроводности проводников n- и p-типов и взаимного влияния пластин, узкий спектр применения, так как использование термоэлектрических преобразователей возможно в условиях, подразумевающих любые механические воздействия – удары, падения, тряску. Кроме этого, источники или потребители тепловой энергии, в основном, пространственно удалены друг от друга и требуются дополнительные конструктивные решения для перемещения этой энергии к или от теплообменных пластин преобразователя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание термоэлектрического модуля не дорогого в изготовлении, с возможностью изменения пространственной ориентации зон теплообмена, с возможностью значительного увеличения расстояния между зонами теплообмена.

Поставленная задача решается тем, что пространственно ориентированный термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов проводимости, соединенные в единую электрическую цепь последовательно в чередующемся порядке таким образом, что при прохождении по цепи контакты от термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам р-типа проводимости расположены на одной стороне диэлектрической пластины, а контакты от термоэлементов р-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости расположены на другой стороне пластины, полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов методом сеткотрафаретной печати нанесены в углубления, образованные в барьерных дорожках, между соединительными для одноименных элементов и коммутирующими для разноименных элементов дорожками, которые предварительно нанесены на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления пространственно ориентированного термоэлектрического модуля, включающем закрепление полупроводниковых термоэлементов n- и p-типов проводимости на диэлектрическую подложку, на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати предварительно наносят соединительные для одноименных элементов и коммутирующие для разноименных элементов дорожки пастой с низким удельным сопротивлением, затем наносят барьерные дорожки с помощью диэлектрической пасты так, чтобы образовались углубления (ячейки) между соединительными и коммутирующими дорожками, а затем в углубления (ячейки) последовательно аналогичным способом наносят полупроводниковые дорожки пастой, изготовленной на основе полупроводников n-типа и p-типа, которые затем подвергают предварительной сушке для удаления органического связующего, а затем процессу спекания под давлением.

Общий вид термоэлектрического модуля показан на Фиг.1.

Термоэлектрический модуль состоит из диэлектрической подложки 1, в качестве которой использовался листовой стеклотекстолит электротехнический (ГОСТ 12652-74) марки СТЭФ-1 (также могут применяться другие изоляционные материалы, такие как керамика, полиэтилентерефталат (лавсан), полиамид, металл с диэлектрическим покрытием и т.д.). На диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати нанесены соединительные 2 и коммутирующие дорожки 3 с образованием углублений 5 (ячеек) между соединительными и коммутирующими дорожками, барьерные дорожки 4, в углубления (ячейки) наносят полупроводниковые дорожки 6 n-типа проводимости и p-типа проводимости. К первой и последней соединительным дорожкам приварены или припаяны токоведущие провода 7, при этом образуется цепь последовательно соединенных термоэлементов, причем переход термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам p-типа проводимости происходит на одной стороне плоскости, а переход термоэлементов p-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости происходит на другой стороне плоскости. Между собой одноименные элементы соединены соединительными дорожками 2 внутри плоскости, что позволяет разнести зоны теплообмена на значительное расстояние и/или изготовить термоэлектрический модуль практически любой геометрической формы.

Варианты изготовления термоэлектрических модулей показаны на Фиг.2: а – в виде полосы - а, когда источники теплоты и холода имеют большие размеры и находятся на одинаковом расстоянии; в – в виде трапеции - в, когда габаритные размеры источника теплоты и холода имеют разные размеры; с – в виде круга - с, для применения в системах, где перемещение источников тепла и/или холода осуществляется по трубопроводам. Пространственную ориентацию термоэлектрического модуля можно менять в широком диапазоне, в зависимости от расположения источников тепла и холода. Термоэлектрические модули путем параллельного и/или последовательного подключения можно собирать в термоэлектрическую батарею (матрицу), для этого их покрывают тонким слоем электрически прочного диэлектрика любым известным методом, в том числе и с помощью сеткотрафаретной печати, затем для увеличения коэффициента теплопередачи металлизируют зоны теплообмена. После этого термоэлектрические модули могут собираться в специальные формы (например, в виде «звездочки») или склеиваться в виде различных сэндвичей.

Способ изготовления пространственно ориентированного термоэлектрического модуля осуществляется следующим образом.

В одной плоскости с помощью толстопленочной технологии (методом сеткотрафаретной печати), включающей диэлектрическую подложку, на которую методом сеткотрафаретной печати наносят соединительные 2 и коммутирующие дорожки 3 пастой ПТСП-Д-2 (ТУ6365-004-59839838-2003) с низким удельным сопротивлением на основе меди или серебра с последующим отверждением при температуре 175°С в течение 20 мин в конвейерной печи марки ПЭК-8. Затем наносят барьерные дорожки 4 диэлектрической пастой ПДЗП (ТУ6365-007- 59839838-2004) с последующим отверждением при температуре 180°С в течение 30 мин в конвейерной печи марки ПЭК-8 так, чтобы образовались углубления (ячейки) 5 между соединительными и коммутирующими дорожками (для каждого типа диэлектрической подложки подбирается свой тип паст, процесс термообработки которой осуществляется в соответствие с техническим регламентом на данный вид паст). В углубления (ячейки) последовательно аналогичным способом наносят полупроводниковые дорожки 6 пастой, изготовленной на основе полупроводников n-типа и p-типа, которые подвергаются предварительной сушке в конвейерной печи с инфракрасным излучением при температуре 130°С в течение 15 мин для удаления органического связующего, а затем процессу спекания под давлением. Для этого заготовку помещают в нагретую до температуры 180°С пресс-форму и выдерживают в течение 5 мин под давлением 2,5 т/см2. Полупроводниковая паста готовилась из порошков теллурита висмута n-типа и p-типа в барабанной мельнице (также могут использоваться порошки других термоэлектрических материалов) путем добавления от 25 до 30 % органического связующего на основе ланолина. К первой и последней соединительным дорожкам приваривают или припаивают токоведущие провода, при этом образуется цепь последовательно соединенных термоэлементов, причем переход термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам p-типа проводимости происходит на одной стороне плоскости, а переход термоэлементов p-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости происходит на другой стороне плоскости. Между собой одноименные элементы соединяются соединительными дорожками внутри плоскости, что позволяет разнести зоны теплообмена на значительное расстояние и/или изготовить термоэлектрический модуль практически любой геометрической формы.

Пространственно ориентированный термоэлектрический модуль и способ его изготовления имеют ряд преимуществ:

- практически весь технологический процесс основан на толстопленочной технологии (метод сеткотрафаретной печати), что существенно позволяет упростить и удешевить процесс изготовления;

- данный способ изготовления позволяет не только увеличить производительность, но и организовать серийное производство при минимальных затратах;

- данный способ позволяет разнести зоны теплообмена на расстояние, когда не происходит взаимное влияние, а значит увеличить эффективность работы;

- так как пространственная ориентация элементов позволяет создавать модули практически любой геометрической формы, соответственно практически не ограниченно увеличивается спектр применения.

1. Пространственно ориентированный термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов проводимости, соединенные в единую электрическую цепь последовательно в чередующемся порядке таким образом, что при прохождении по цепи контакты от термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам р-типа проводимости расположены на одной стороне диэлектрической пластины, а контакты от термоэлементов р-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости расположены на другой стороне пластины, отличающийся тем, что полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов методом сеткотрафаретной печати нанесены в углубления, образованные в барьерных дорожках, между соединительными для одноименных элементов и коммутирующими для разноименных элементов дорожками, которые предварительно нанесены на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати.

2. Способ изготовления пространственно ориентированного термоэлектрического модуля, включающий закрепление полупроводниковых термоэлементов n- и p-типов проводимости на диэлектрическую подложку, отличающийся тем, что на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати предварительно наносят соединительные для одноименных элементов и коммутирующие для разноименных элементов дорожки пастой с низким удельным сопротивлением, затем наносят барьерные дорожки с помощью диэлектрической пасты так, чтобы образовались углубления (ячейки) между соединительными и коммутирующими дорожками, а затем в углубления (ячейки) последовательно аналогичным способом наносят полупроводниковые дорожки пастой, изготовленной на основе полупроводников n-типа и p-типа, которые затем подвергают предварительной сушке для удаления органического связующего, а затем процессу спекания под давлением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии и может быть использовано при производстве термоэлектрических составных ветвей термоэлемента, предназначенных для изготовления генераторов электроэнергии с высоким коэффициентом преобразования.

Изобретение может быть использовано в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. Термоэлектрический генератор размещен в выпускной системе отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение относится к термоэлектричеству. Технический результат: получение термоэлектрического элемента с высоким термическим сопротивлением, который требует меньше полупроводникового материала.

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии и может быть использовано при производстве термоэлектрических охладителей и генераторов. Сущность: способ получения термоэлектрического элемента включает подготовку верхней и нижней граней ветвей термоэлемента, создание системы контактных слоев между гранями ветвей термоэлемента и коммутирующими шинами.

Использование: для создания гибкого термоэлектрического модуля. Сущность изобретения заключается в том, что способ создания гибкого термоэлектрического модуля включает получение полиимидной пленки и напыление на нее в вакуумной камере посредством лазера функциональных слоев, полиимидную пленку получают на металлическом основании с полированной поверхностью, которое устанавливают на горизонтальную центрифугу, осуществляют его вращение и одновременно подают посредством дозатора на его рабочую поверхность раствор полиамидоимида в течение 30-120 с с получением заданной толщины пленки, основание с нанесенной пленкой полиамидоимида размещают в вакуумной камере с нагревателями и мишенями из материалов для создания буферного, полупроводниковых и коммутирующих слоев и осуществляют сушку пленки, затем осуществляют лазерное напыление функциональных слоев в несколько этапов: а) в камеру подают кислород и при одновременном вращении мишени и основания с нанесенной пленкой осуществляют лазерную абляцию мишени из титана с формированием на полиимидном слое буферного слоя оксида титана; б) камеру откачивают на высокий вакуум, включают нагреватель на 150-170°C в зависимости от толщины наносимого слоя, включают вращение мишени и вращение подложки, устанавливают маску для слоя ветвей n-типа и производят лазерную абляцию материала мишени n-типа с формированием ветвей n-типа на поверхности полиимида; в) устанавливают маску для слоя ветвей р-типа, подают в зону лазерного воздействия мишень р-типа проводимости, производят лазерную абляцию материала мишени р-типа с формированием ветвей р-типа на поверхности полиимида; г) устанавливают маску для коммутирующего слоя, подают в зону лазерного воздействия мишень для создания слоя металлизации, производят лазерную абляцию материала мишени, и создают слой металлизации, коммутирующий электрически последовательно между собой полупроводниковые ветви, и создают контактные площадки на концах термоэлектрического модуля, после создания функциональных слоев камеру развакуумируют, извлекают из основания, которое затем для отделения полученного модуля выдерживают в ультразвуковой ванне мощностью 25-50 Вт в течение 5 мин в деионизованной дистиллированной воде, термоэлектрический модуль снимают с основания и высушивают.

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии. Сущность: способ изготовления плоских термоэлементов включает обеспечение электро- и теплопроводной подложки по меньшей мере с одним проемом, который разделяет подложку на сегменты подложки, монтаж на подложке ветвей термоэлемента.

Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано при калибровке датчиков теплового потока. Способ калибровки термоэлектрического датчика теплового потока заключается в том, что собственное электрическое сопротивление датчика теплового потока измеряют при пропускании переменного тока величины от 1 до 20 мА, а термоэлектрическую добротность измеряют при пропускании постоянного тока величины от 1 до 20 мА, после чего определяют чувствительность термоэлектрического датчика из следующего выражения: где Se - чувствительность термоэлектрического датчика; ACR - собственное сопротивление термоэлектрического датчика; Z - термоэлектрическая добротность датчика; s - площадь чувствительной поверхности термоэлектрического датчика; α - коэффициент Зеебека (термоЭДС) термоэлемента; 2N - количество термоэлементов или спаев в термоэлектрическом датчике.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам и их изготовлению. Сущность: термоэлектрический модуль (1), который простирается в продольном направлении (9), с внешней трубкой (2) и расположенной внутри внешней трубки (2) внутренней трубкой (3).

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии. Технический результат: повышение эффективности и надежности термоэлектрического модуля посредством увеличения теплопроводности и электроизоляционных свойств теплоконтактных электроизолирующих средств соединения коммутационных токопроводов с теплопроводами.

Изобретение относится к полупроводниковой технике. Сущность: полупроводниковое устройство включает полупроводниковую подложку, композиционную металлическую пленку и вывод для измерения.

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для обеспечения электрической энергией устройств автоматики и исполнительных органов. Сущность: система включает высокотемпературный и низкотемпературный источники тепла, тепловой сток во внешнюю среду, блок автоматики, высокотемпературные и низкотемпературные термоэлектрические преобразователи (ТЭП), горячие спаи которых приведены в тепловой контакт с высокотемпературными и низкотемпературными источниками тепла соответственно, а холодные спаи - в тепловой контакт с внешней средой.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к аппаратам, предназначенным для создания на участке тела человека различных программно управляемых тепловых воздействий.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям вертолетов. Летательный аппарат (1) выполнен с возможностью висения, имеет средство (7) приведения в действие и, по меньшей мере, одну выхлопную трубу (8, 8'), соединенную с выпускным отверстием средства (7) приведения в действие, чтобы выпускать выхлопной газ, создаваемый посредством сгорания топлива, из летательного аппарата.

Изобретение относится к медицинской технике. Термоэлектрическое устройство для проведения тепловых косметологических процедур на лицо человека содержит теплоконтактную пластину, систему теплоотвода, термоэлементы и подключенный к термоэлементам управляемый источник постоянного тока.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для обеспечения температурных режимов работы элементов и узлов радиоэлектронной и телевизионной аппаратуры при рассеивании ими значительного количество тепла.

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии. Сущность: способ изготовления плоских термоэлементов включает обеспечение электро- и теплопроводной подложки по меньшей мере с одним проемом, который разделяет подложку на сегменты подложки, монтаж на подложке ветвей термоэлемента.

Изобретение относится к медицине и предназначено для проведения косметических процедур. Термоэлектрическое устройство для проведения косметических процедур на лице содержит теплоконтактную пластину, систему теплоотвода, термоэлементы и управляемый источник постоянного тока, подключенный к термоэлементам.

Изобретение относится к полупроводниковой технике. Сущность: полупроводниковое устройство включает полупроводниковую подложку, композиционную металлическую пленку и вывод для измерения.

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано для обеспечения электрической энергией узлов системы электроснабжения автомобиля.

Изобретение относится к медицинской технике. Термоэлектрическое устройство для теплового воздействия на руку человека содержит температурный раздражитель.

Изобретение относится к медицинской технике. Термоэлектрическое устройство для проведения тепловых косметологических процедур на лицо человека содержит теплоконтактную пластину, систему теплоотвода, термоэлементы и подключенный к термоэлементам управляемый источник постоянного тока. Теплоконтактная пластина выполнена в виде гибкого основания из высокотеплопроводного материала и имеет форму маски, повторяющей контуры лица человека, с отверстиями в области глаз, носа и рта. Основание состоит из наборных сегментов, собираемых таким образом, чтобы имелась возможность регулирования его формы и размеров в соответствии с конкретными геометрическими характеристиками лица человека. Соединение наборных сегментов между собой производится тем или иным типом защелок по их боковой поверхности. Выступы боковой поверхности основания, которая свободна от соединительных защелок, отогнуты под углом 90° к основанию и сопряжены с обеспечением плотного теплового контакта с воздействующими спаями термоэлементов. Опорные спаи термоэлементов контактируют с емкостью, заполненной плавящимся рабочим веществом, температура плавления которого лежит в пределах 35-45°C. На поверхности основания со стороны лица имеется тонкая силиконовая прослойка, а на противоположной стороне основание по всей площади контактирует с манжетой, соединенной с нагнетателем трубкой. Основание снабжено крепежным приспособлением. Достигается повышение точности подгонки рабочей поверхности устройства в соответствии с определенной структурой и геометрией лица. 1 ил.
Наверх