Термоэлектрическое охлаждающее устройство

Термоэлектрическое охлаждающее устройство предназначено для преобразования электрической энергии в холод. Верхний слой термоэлементов n- и p-типов проводимости соединен с теплопоглощающей подложкой, а нижний слой с термоэлементами p- и n-типов проводимости - с тепловыделяющей подложкой. Между слоями размещены дополнительно два слоя коммутационных пластин, соединенных в единую последовательно-параллельную электрическую цепь со слоями термоэлектрических элементов. Количества термоэлектрических элементов в слоях относятся как 1:(0,5-2,5). Соотношение средних значений сопротивления термоэлектрических элементов в слоях составляет 1:(1,15-1,5). Верхний и нижний свободные объемы, ограниченные соответствующими подложками и пластинами, соотносятся как (1-2): 016645 Настоящее изобретение относится к созданию термоэлектрических охлаждающих устройств. Термоэлектрические охлаждающие устройства (модули) представляют собой твердотельные устройства,работающие как тепловые насосы с использованием эффекта Пельтье. Полупроводники различного типа проводимости собирают в термоэлектрические модули, в которых при пропускании тока теплота передается от одной стороны модуля к другой стороне. Теплообменные подложки модулей, представляющие собой теплопоглощающую и тепловыделяющую поверхности соответственно, обычно изготовлены из керамического, металлического или композиционного материала (металлического материала, покрытого слоем керамики). Между теплообменными подложками размещены термоэлектрические элементы различного типа проводимости, которые с помощью коммутационных пластин соединены пайкой попарно последовательно в единую электрическую цепь таким образом, чтобы все горячие спаи были соединены с тепловыделяющей, а все холодные спаи - с теплопоглощающей поверхностью. Холодильный коэффициент (отношение холодопроизводительности к затратам электроэнергии), а также Т (разница температур между теплопоглощающей и тепловыделяющей поверхностями) являются основными характеристиками термоэлектрических устройств нового поколения. Для повышения технических характеристик модули обычно собирают в каскады, последовательно соединяя их друг с другом. Это позволяет суммировать количество холода, выделяемое на единичном модуле, и увеличить Т. Такие решения не являются оптимальными из-за неэкономичности и существенного увеличения габаритов в случае многокаскадных термоэлектрических устройств. Кроме того, недостатком таких устройств является необходимость снабжать каждый модуль источником питания электрическим током. Например, известно термоэлектрическое охлаждающее устройство, работающее на эффекте Пельтье, представляющее собой конструкцию, содержащую термоэлектрические элементы n- и р-типов проводимости, объединенные попарно последовательно коммутационными пластинами в единую электрическую цепь и размещенные между керамическими подложками с заданной топологией и нанесенными на них металлизированными контактными площадками. Коммутацию (соединение) всех элементов в единую электрическую цепь осуществляют таким образом, что все холодные спаи и все горячие спаи термоэлектрических элементов расположены на противоположных сторонах и припаяны коммутационными пластинами к металлизированным контактным площадкам, образуя теплопоглощающую и тепловыделяющую поверхности устройства (см. заявку DE4006861, Н 01L 35/32, F25B 21/02, опубликована в 1991 г.). Для данного устройства характерны невысокие значения холодильного коэффициента (не выше 0,5) и Т (не выше 70 С). Кроме того, в конструкции этого термоэлектрического охлаждающего устройства в условиях перепада температур в несколько десятков С возникают высокие механические напряжения в керамике. В последнее время стали появляться публикации, в которых уделяется внимание пространственному расположению термоэлементов, например веерному, угловому. Так, известно термоэлектрическое охлаждающее устройство, в котором термоэлектрические элементы n- и p-типа проводимости соединены попарно последовательно с помощью металлических проводников, причем группа термоэлектрических элементов выполнена с асимметричной формой в третьем пространственном измерении с образованием вееровидного элемента. Термоэлектрические элементы расположены на выполненном с заданной топологией и имеющем контактные площадки диске таким образом, чтобы при соединении в единую электрическую цепь образовывали зону охлаждения (центральную часть диска) и зону нагрева (периферическую его часть). Площадь зоны нагрева больше площади зоны охлаждения (патент РФ 2385516, H01L 35/32, опубликованный 27.03.2010 г.). Данное устройство может быть использовано только в комбинации с электронными приборами, являющимися охлаждаемыми элементами, объединенными с термоэлектрическими элементами в одну электрическую цепь. Кроме того, устройство не решает задачи увеличения холодильного коэффициента и Т. В другом известном термоэлектрическом охлаждающем устройстве для улучшения теплоотвода предложено наклонное расположение термоэлектрических элементов n- и p-типа проводимости в одной из координатных плоскостей, причем термоэлектрические элементы n-типа расположены под углом,противоположным углу наклона термоэлектрических элементов p-типа, а коммутационные пластины выполнены в форме трехгранной призмы. В этом устройстве теплоотводящими или тепловыделяющими поверхностями служат гибкие трубки, заполненные теплоносителями (патент РФ 2396636, Н 01L 35/30, опубликованный 10.08.2010 г.). Данное устройство также не решает задачи увеличения холодильного коэффициента и T. Кроме того, наличие теплоносителя ограничивает области использования устройства. Заявляемое изобретение относится к термоэлектрическим охлаждающим устройствам, имеющим традиционную компоновку. В качестве прототипа принято термоэлектрическое охлаждающее устройство, представляющее собой теплопоглощающую и тепловыделяющую подложки с нанесенными на них с заданной топологией металлизированными контактными площадками, между которыми размещены термоэлектрические элементы n- и p-типов проводимости, соединенные между собой попарно последовательно коммутацион-1 016645 ными пластинами и спаянные с металлизированными площадками в единую электрическую цепь таким образом, что все горячие спаи соединены с тепловыделяющей подложкой, а все холодные - с теплопоглощающей подложкой (патент РФ 2075138, Н 01L 35/30, опубликованный 10.03.1997 г.). Подложки выполнены в виде металлического основания с нанесенным на него полиимидным слоем. Такое выполнение подложек по сравнению с описанными аналогами несколько повышает холодильный коэффициент устройства, а также уменьшает напряжения в подложках. Измерения показывают, что в описанном устройстве значения холодильного коэффициента и Т не превышают соответственно 0,6 и 72 С. Настоящее изобретение представляет собой принципиально новую конструкцию, в которой в едином объеме, образованном теплопоглощающей и тепловыделяющей подложками, объединенными в единую последовательно-параллельную электрическую цепь с термоэлектрическими элементами различного типа проводимости, работают сразу несколько слоев термоэлектрических элементов n- и p-типов проводимости и происходит выделение на теплопоглощающей поверхности суммарного количества холода,которое соответствует суммарному количеству термоэлектрических элементов, находящихся в этих слоях. Принципиально важно, что заявляемое термоэлектрическое охлаждающее устройство может работать от одного источника питания при незначительном увеличении габаритов устройства. Технический результат изобретения состоит в повышении холодильного коэффициента и Т. Достигается результат тем, что в термоэлектрическом охлаждающем устройстве, включающем теплопоглощающую и тепловыделяющую подложки с нанесенными на них с заданной топологией металлизированными контактными площадками, термоэлектрические элементы n- и p-типов проводимости, размещенные между подложками и соединенные между собой попарно последовательно коммутационными пластинами и спаянные с металлизированными площадками в единую электрическую цепь таким образом,что все горячие спаи соединены с тепловыделяющей подложкой, а все холодные - с теплопоглощающей подложкой, согласно изобретению, термоэлектрические элементы, размещенные между теплопоглощающей и тепловыделяющей подложками, установлены слоями, расположенными один под другим, при этом верхний слой с последовательно установленными термоэлектрическими элементами n- и p-типов проводимости соединен в единую электрическую цепь коммутационными пластинами с металлизированными контактными площадками теплопоглощающей подложки, нижний слой с последовательно установленными термоэлектрическими элементами p- и n-типов проводимости соединен в единую электрическую цепь коммутационными пластинами с металлизированными контактными площадками тепловыделяющей подложки, между верхним и нижним слоями термоэлектрических элементов размещены дополнительно два слоя коммутационных пластин, причем верхний дополнительный слой коммутационных пластин соединен в единую электрическую цепь с верхним слоем термоэлектрических элементов и,соответственно, с теплопоглощающей подложкой, нижний дополнительный слой коммутационных пластин соединен в единую электрическую цепь с нижним слоем термоэлектрических элементов и, соответственно, с тепловыделяющей подложкой, свободные поверхности дополнительных коммутационных пластин также образуют теплопоглощающую и тепловыделяющую поверхности соответственно и при соединении их друг с другом в единую последовательно-параллельную электрическую цепь компенсируют создаваемые ими тепловые потоки. Кроме того, в термоэлектрическом охлаждающем устройстве количества термоэлектрических элементов в верхнем и нижнем слоях относятся друг к другу как 1:(0,5-2,5) соответственно. Кроме того, среднее значение сопротивления термоэлектрических элементов в верхнем слое относится к среднему значению сопротивления термоэлектрических элементов в нижнем слое как 1:(1,151,5). Кроме того, свободный объем, ограниченный теплопоглощающей подложкой с металлизированными контактными площадками и верхним дополнительным слоем коммутационных пластин, относится к свободному объему, ограниченному тепловыделяющей подложкой с металлизированными контактными площадками и нижним дополнительным слоем коммутационных пластин, как (1-2):(1-1,5). Сущность заявленного устройства заключается в том, что создана принципиально новая конструкция термоэлектрического охлаждающего устройства, в котором в едином пространстве, образованном тепловыделяющей и теплопоглощающей подложками, многослойно расположены термоэлектрические элементы n- и р-типов проводимости, при этом термоэлементы объединены в единую последовательнопараллельную электрическую цепь таким образом, что на теплопоглощающей подложке выделяется суммарное количество холода, образованное каждым слоем термоэлементов, а на тепловыделяющей подложке - суммарное количество тепла, образованное каждым слоем термоэлементов. В результате резко возрастают основные технические характеристики термоэлектрического охлаждающего устройства,определяющие его потребительские свойства: T при использовании данного устройства увеличивается на 20-30 С, а холодильный коэффициент - в 2 раза. Именно эти характеристики являются принципиально важными для применения термоэлектрических устройств в новых областях использования (например,при охлаждении печатных плат, для использования в лазерных приборах и, что особенно актуально, в медицинской технике для проведения местных операций, например глазных; при консервации крови и органов).-2 016645 По сравнению с многокаскадными устройствами, представляющими собой по сути последовательно соединенные однокаскадные модули, для заявленного термоэлектрического охлаждающего устройства характерны возможность работы от одного источника питания, а также существенное сокращение габаритов, особенно это касается ширины и длины модуля. На фигуре представлено термоэлектрическое охлаждающее устройство, состоящее из теплопоглощающей подложки 1 с металлизированными контактными площадками (на фигуре не показаны), расположенным под подложкой 1 слоем коммутационных пластин 2, под слоем 2 размещен верхний слой термоэлементов 3 с n- и p-типами проводимости, под верхним слоем термоэлементов 3 один под другим расположены два дополнительных слоя коммутационных пластин 4 и 5 соответственно, под ними расположен нижний слой термоэлементов 6 с p- и n-типами проводимости, под слоем термоэлементов 6 расположен слой коммутационных пластин 7 и под ним - тепловыделяющая подложка 8 с нанесенными на нее металлизированными контактными площадками (на фигуре не показаны). Все элементы, представленные на чертеже, объединены в единую последовательно-параллельную электрическую цепь с помощью пайки. Заявленные в зависимых пунктах формулы интервальные значения соотношений количеств термоэлектрических элементов в верхнем и нижнем слоях, средних значений сопротивлений термоэлектрических элементов в верхнем и нижнем слоях, свободного объема, ограниченного теплопоглощающей подложкой с контактными площадками и верхним дополнительным слоем коммутационных пластин, и свободного объема, ограниченного тепловыделяющей подложкой с контактными площадками и нижним дополнительным слоем коммутационных пластин, влияют на Т, холодильный коэффициент и в совокупности с основными отличительными признаками изобретения (см. п.1 формулы изобретения) усиливают технический результат. Термоэлектрическое охлаждающее устройство работает следующим образом. На внешней поверхности теплопоглощающей подложки 1 размещают охлаждаемый объект (не показан), а к внешней поверхности тепловыделяющей подложки 8 пристыковывают теплосъемное устройство (не показано). Через слои термоэлементов 3 и 6 пропускают постоянный ток (источник тока не показан). Вследствие эффекта Пельтье на спаях металлизированных контактных площадок термоэлементов с коммутационными пластинами 2 и термоэлементами верхнего слоя 3 с n- и р-типом проводимости происходит поглощение тепловой энергии и соответственно постепенно охлаждается до требуемой температуры объект, размещенный на внешней поверхности теплопоглощающей подложки 1. На спаях металлизированных контактных площадок термоэлементов с коммутационными пластинами 7 и термоэлементов нижнего слоя 6 с р- и п-типом проводимости происходит выделение тепловой энергии, которая затем отводится с внешней поверхности тепловыделяющей подложки 8 теплосъемником (не показан). В процессе работы устройства возникают тепловые потоки на коммутационных пластинах 4 и 5 устройства, которые частично компенсируются. После выхода на заданный температурный режим охлаждаемый объект выдерживают требуемое время и затем отключают источник постоянного тока. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Термоэлектрическое охлаждающее устройство, включающее теплопоглощающие и тепловыделяющие подложки с нанесенными на них с заданной топологией металлизированными контактными площадками, термоэлектрические элементы n- и p-типа проводимости, размещенные между подложками,соединенные между собой попарно последовательно коммутационными пластинами, параллельными подложкам, и спаянные с металлизированными площадками в единую электрическую цепь таким образом, что все горячие спаи соединены с тепловыделяющей подложкой, а все холодные - с теплопоглощающей подложкой, отличающееся тем, что термоэлектрические элементы, размещенные между теплопоглощающей и тепловыделяющей подложками, установлены слоями, расположенными один под другим, при этом верхний слой с последовательно установленными n- и p-типа проводимости термоэлектрическими элементами соединен в единую электрическую цепь коммутационными пластинами с металлизированными контактными площадками теплопоглощающей подложки, нижний слой с последовательно установленными p- и n-типа проводимости термоэлектрическими элементами соединен в единую электрическую цепь коммутационными пластинами с металлизированными контактными площадками тепловыделяющей подложки, между верхним и нижним слоями термоэлектрических элементов размещены дополнительно два слоя коммутационных пластин, причем верхний дополнительный слой коммутационных пластин, параллельных подложкам, соединен в единую электрическую цепь с верхним слоем термоэлектрических элементов, нижний дополнительный слой коммутационных пластин соединен в единую электрическую цепь с нижним слоем термоэлектрических элементов, свободные поверхности дополнительных коммутационных пластин соединены друг с другом в единую последовательно-параллельную электрическую цепь для частичной компенсации создаваемых ими тепловых потоков. 2. Термоэлектрическое охлаждающее устройство по п.1, отличающееся тем, что количества термоэлектрических элементов в верхнем и нижнем слоях относятся друг к другу как 1:(0,5-2,5) соответственно.-3 016645 3. Термоэлектрическое охлаждающее устройство по п.1, отличающееся тем, что среднее значение сопротивления термоэлектрических элементов в верхнем слое относится к среднему значению сопротивления термоэлектрических элементов в нижнем слое как 1:(1,15-1,5). 4. Термоэлектрическое охлаждающее устройство по п.1, отличающееся тем, что свободный объем,ограниченный теплопоглощающей подложкой с металлизированными контактными площадками и верхним дополнительным слоем коммутационных пластин, относится к свободному объему, ограниченному тепловыделяющей подложкой с металлизированными контактными площадками и нижним дополнительным слоем коммутационных пластин, как (1-2):(1-1,5).