ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАЖДАЮЩИЙ МОДУЛЬ С ДЕМПФИРУЮЩИМ ПРОВОДНИКОМ НА ХОЛОДНЫХ СПАЯХ

Касьянов А.А., Исаченко Г.Н., Самусевич К.Л. Термоэлектрический охлаждающий модуль с демпфирующим проводником на холодных спаях // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 2. С. 229–235. 

Предмет исследования. Представлены результаты исследования термоэлектрического охлаждающего модуля с демпфирующим тепло- и электропроводящим веществом на холодных спаях. В качестве материала термоэлектрического элемента использован теллурид, синтезированный в печи плавления. Размер термоэлектрического элемента 2,0×2,0×1,5 мм. Модули монтировались на керамические пластины размером 30×30×0,89 мм из 96 %-ного Al₂O₃. В качестве материала коммутационных шин использована медь, покрытая слоем никеля. Модули крепились на плату пайкой. В качестве сборочного припоя использовалась оловянно-висмутовая паяльная паста (Т_пл = 139 °С). Методы. Для повышения эффективности теплового контакта термоэлектрического модуля, работающего в условиях большого температурного градиента между горячей и холодной сторонами термоэлектрического элемента, особенно у элементов n-типа, на горячих спаях предложено использовать упругий электропроводящий клей на основе силикона с удельным сопротивлением 0,02 Ом/см, плотностью 3,7 г/см3, теплопроводностью 2,1 Вт/(м·К). Токопроводящий силиконовый клей-герметик EX-A302L состоял из однокомпонентного силикона холодной вулканизации с вкраплениями токопроводящих микрогранул. Рабочая температура от –50 до +120 °С позволяет применять этот клей как для обычных холодильных модулей, так и для холодного спая среднетемпературных модулей. Предложена поэтапная технология сборки модуля. Основные результаты. Проведены сравнительные испытания экспериментального термоэлектрического модуля и стандартного промышленного термоэлектрического модуля ТВ-31-2.0-1.5 на измерительных установках производства ООО «Криотерм». Целостность модулей проверялась на тепловизоре Testo. Установлено, что разница между рабочими характеристиками экспериментального и промышленного модулей не превышает 10 %, что лежит в пределах допустимой нормы. Выявлено, что динамика разрушения модулей после температурного циклирования фактически одинакова. Практическая значимость. Полученные результаты демонстрируют возможность использования электропроводящего клея в качестве контактного слоя для термоэлемента. Предложенная технология позволит использовать в ветвях термоэлектрических модулей материалы с различными коэффициентами температурного расширения, что повысит коэффициент полезного действия термоэлектрического устройства.

1. Amatya R., Ram R.J. Trend for thermoelectric materials and their Earth abundance // Journal of Electronic Materials. 2012. V. 41. N 6. P. 1011–1019. doi: 10.1007/s11664-011-1839-y
2. LeBlanc S., Yee S.K., Scullin M.L., Dames C., Goodson K.E. Material and manufacturing cost considerations for thermoelectrics // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. V. 32. P. 313–327. doi: 10.1016/j.rser.2013.12.030
3. Zheng X.F., Liu C.X., Yan Y.Y., Wang Q. A review of thermoelectrics research – recent developments and potentials for sustainable and renewable energy applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. V. 32. P. 486–503. doi: 10.1016/j.rser.2013.12.053
4. Zaitsev V.K., Fedorov M.I., Gurieva E.A., Eremin I.S., Konstantinov P.P., Samunin A.Y., Vedernikov M.V. Highly effective Mg₂Si_1-xSn_x thermoelectrics // Physical Review B. 2006. V. 74. N 4. Art. 045207.
5. Bashir M.B.A., Mohd Said S, Sabri M.F.M., Shnawah D.A, Elsheikh M.H. Recent advances on Mg₂Si_1−xSn_x materials for thermoelectric generation // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. V. 37. P. 569–584. doi: 10.1016/j.rser.2014.05.060
6. Gao P., Berkun I., Schmidt R., Luzenski M., Lu X., Bordon Sarac P., Case E., Hogan T.P. Transport and mechanical properties of high-ZT Mg_2.08Si_0.4-xSn0.6Sb_x thermoelectric materials // Journal of Electronic Materials. 2014. V. 43. N 6. P. 1790–1803. doi: 10.1007/s11664-013-2865-8
7. Khan A.U., Vlachos N.V., Hatzikraniotis E., Polymeris G.S., Lioutas C.B., Stefanaki E.C., Paraskevopoulos K.M., Giapintzakis I., Kyratsi T.Thermoelectric properties of highly efficient Bi-doped Mg₂Si_1−x−ySn_xGe_y materials //Acta Materialia. 2014. V. 77. P. 43–53. doi: 10.1016/j.actamat.2014.04.060
8. Федоров М.И. Термоэлектрические силициды: прошлое, настоящее и будущее // Термоэлектричество. 2009. № 2. С. 53–64.
9. Engstrom I., Lonnberg B. Thermal expansion studies of the group IV‐VII transition‐metal disilicides // Journal of Applied Physics. 1988. V. 63. N 9. P. 4476–4484. doi: 10.1063/1.340168
10. Gelbstein Y., Tunbridge J., Dixon R., Reece M., Ning H., Gilchrist R., Summers R., Agote I., Lagos M.A., Simpson K., Rouaud C., Feulner P., Rivera S., Torrecillas R., Husband M., Crossley J., Robinson I. Physical, mechanical, and structural properties of highly efficient nanostructured n- and p-silicides for practical thermoelectric applications // Journal of Electronic Materials. 2014. V. 43. N 6. P. 1703–1711. doi: 10.1007/s11664-013-2848-9
11. Sondergaard M., Christensen M., Borup K.A., Yin H., Iversen B.B. Thermoelectric properties of the entire composition range in Mg₂Si_0.9925−xSn_xSb_0.0075 // Journal of Electronic Materials. 2013. V. 42. N 7. P. 1417–1421. doi: 10.1007/s11664-012-2282-4
12. Bourgois J., Tobola J., Chaput L., Zwolenski P., Berthebaud D., Gascoin F., Recour Q., Scherrer H. Study of electron, phonon and crystal stability versus thermoelectric properties in Mg2X(X = Si, Sn) compounds and their alloys // Functional Materials Letters. 2013. V. 6. N 5. Art. 1340005. doi: 10.1142/S1793604713400055
13. Tani J., Takahashi M., Kido H. J. Fabrication of oxidation-resistant β-FeSi₂ film on Mg₂Si by RF magnetron-sputtering deposition // Journal of Alloys and Compounds. 2009. V. 488. N 1. P. 346–349. doi: 10.1016/j.jallcom.2009.08.128
14. Tani J., Takahashi M., Kido H. Thermoelectric properties and oxidation behaviour of Magnesium Silicide // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2011. V. 18. Art. 142013. doi: 10.1088/1757-899X/18/14/142013
15. Nemoto T., Iida T., Sato J., Sakamoto T., Nakajima T., Takanashi Y. Power generation characteristics of Mg₂Si uni-leg thermoelectric generator // Journal of Electronic Materials. 2012. V. 41. N 6. P. 1312–1316. doi: 10.1007/s11664-012-1963-3
16. Nemoto T., Iida T., Sato J., Sakamoto T., Hirayama N., Nakajima T., Nakajima T., Takanashi Y. Development of an Mg₂Si unileg thermoelectric module using durable Sb-doped Mg₂Si legs // Journal of Electronic Materials.2013. V. 42. N 7. P. 2192–2197. doi: 10.1007/s11664-013-2569-0
17. Nemoto T., Iida T., Sato J., Suda H., Takanashi Y. Improvement in the durability and heat conduction of uni-leg thermoelectric modules using n-type Mg₂Si legs // Journal of Electronic Materials. 2014. V. 43. N 6. P. 1890–1895. doi: 10.1007/s11664-013-2897-0
18. Skomedal G., Holmgren L., Middleton H., Eremin I.S., Isachenko G.N., Jaegle M., Tarantik K., Vlachos N., Manoli M., Kyratsi T., Berthebaud D., Truong N.Y.D., Gascoin F. Design, assembly and characterization of silicide-based thermoelectric modules // Energy Conversion and Management. 2016. V. 110. P. 13–21. doi: 10.1016/j.enconman.2015.11.068

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License