Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к твердотельным охлаждающим системам, в частности, к термоэлектрическим холодильным устройствам, предназначенным для охлаждения объектов. Изобретение может быть использовано при разработке охладителей электронных компонентов, различного рода холодильников и так далее, и использоваться как в земных условиях, так и в космическом пространстве с высокой эффективностью.

Предпосылки создания изобретения

Применяемые в уровне техники термоэлектрические холодильники на эффекте Пельтье абсолютно безопасны с экологической точки зрения, не имеют изнашивающихся и трущихся элементов, а значит бесшумны в работе, характеризуются отсутствием вибраций, не требуют штатных устройств очистки рабочих тел, способны устойчиво работать длительное время. Термоэлектрические преобразователи энергии имеют и другие преимущества по сравнению с традиционными холодильными агрегатами: возможность не только охлаждения, но и нагрева; исключительная надежность компонентов, вырабатывающих холод; возможность очень быстрого охлаждения; высокая точность регулировки температуры и возможность термостатирования путем изменения тока питания; независимость параметров термоэлектрических модулей от силы тяжести и ориентации в пространстве, а также малая чувствительность к высоким механическим нагрузкам; отсутствие необходимости в техническом обслуживании. Все перечисленные преимущества термоэлектрических холодильных машин порой не оставляют выбора разработчикам систем охлаждения для самых различных областей применения: в оптико-электронных системах, в ЭВМ, в медицине, в бытовой технике, на транспорте и в других областях.

Например, известно термоэлектрическое холодильное устройство, содержащее термоэлектрическую батарею, холодные спаи которой подключены к термостатируемому объекту через аккумулятор холода (RU232951 С2). Теплота, выделяющаяся на горячих спаях при работе термоэлектрической батареи, рассеивается в окружающее пространство радиатором, обдуваемым потоком воздуха от вентилятора. Патент США US 6116040 раскрывает устройство для охлаждения электронных компонентов, связанных с холодильным компрессором. При помощи привода компрессора температура мощных электронных устройств поддерживается в желаемом температурном диапазоне. Патент US 5569650 относится к охлаждающему устройству интегральной схемы и более конкретно к устройству, которое обеспечивает активное охлаждение, чтобы уменьшить температурные колебания интегральных схем. В примере осуществления изобретения интегральная схема прикреплена к подложке, и электротермическое охлаждающее устройство (ТЕС) прикреплено к открытой поверхности интегральной схемы. Дополнительно, предусмотрен теплоотвод, который прикреплен к горячей стороне ТЕС- устройства. Выводные зажимы термопары подсоединяют к цепи управления с обратной связью.

При этом все существующие устройства охлаждения имеют низкую производительность на единицу площади, низкий КПД и имеют необходимость отвода тепла от горячей стороны охлаждающего устройства. Зачастую подобные охлаждающие устройства требуют дополнительной системы для отвода и рассеивания поглощённого тепла, причем габариты подобных систем больше охлаждаемого объекта. При этом область поглощения тепла находится в непосредственной близости к области выделения тепла, что негативно отражается на потребительских характеристиках охлаждающих устройств.

Решению всех этих проблем и посвящена настоящая заявка.

Суть изобретения

Задачей заявленного изобретения является разработка твердотельного охлаждающего устройства (далее - ТОУ) с увеличенной производительностью и КПД. Дополнительно, разработанное твердотельное охлаждающее устройство должно иметь небольшие габаритные размеры и обеспечивать отведение и рассеивание тепла за пределами охлаждаемого устройства.

Техническим результатом изобретения является увеличение производительности и КПД ТОУ.

Указанный технический результат достигается за счет того, что ТОУ включает расположенные последовательно и электрически соединенные: блок подготовки, выполненный в виде полупроводникового элемента, на одной поверхности которого расположена подложка, с нанесенным на ее внешнюю поверхность контакта со первым выводом для включения в электрическую цепь, а на другой поверхности полупроводникового элемента нанесен контакт со вторым выводом для включения в электрическую цепь, причем полупроводниковый элемент выполнен с возможностью уменьшения энергии электронов в электрическом токе, поступающем на второй вывод через провод от источника питания, а первый вывод подключен через провод ко второму выводу блока охлаждения, блок охлаждения, выполненный в виде по меньшей мере одного полупроводникового элемента, расположенного на подложке, и контакты с первым и вторым выводами, расположенные на наружных поверхностях подложки и полупроводникового элемента, соответственно, причем одна из наружных поверхностей находится непосредственно в контакте с объектом, требующим охлаждения, при этом первый вывод подключен через провод ко второму выводу блока рассеяния, блок рассеяния, находящийся на расстоянии от блока охлаждения и выполненный в виде по меньшей мере одного полупроводникового элемента, на одной поверхности которого расположена подложка, с нанесенным на ее внешнюю поверхность контакта с первым выводом для включения в электрическую цепь, а на другой поверхности полупроводникового элемента нанесен контакт со вторым выводом для включения в электрическую цепь, причем второй вывод через провод соединен с первым выводом блока охлаждения, а первый вывод через провод соединен с источником питания.

В случае применения более одного полупроводникового элемента в блоке рассеивания и более одного полупроводникового элемента в блоке охлаждения, первый вывод первого полупроводникового элемента блока охлаждения через провод соединен со вторым выводом первого полупроводникового элемента блока рассеивания, первый вывод которого через провод соединен со вторым выводом следующего полупроводникового элемента блока охлаждения, первый вывод которого через провод соединен со вторым выводом первого полупроводникового элемента блока рассеивания или с блоком питания.

Полупроводниковый элемент блока охлаждения выполнен в виде: полупроводника проводимости п типа; полупроводника переменной проводимости от p-типа до n-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода, и имеет проводимость p-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода, и является р-п-структурой с плавным легированием от р типа к п типу по направлению течения тока.

Полупроводниковый элемент блока рассеяния или подготовки выполнен в виде: полупроводника с проводимостью p-типа; двух полупроводников, один из которых является полупроводником с проводимостью n-типа, а другой проводником с проводимостью p-типа; полупроводника переменной проводимости: от проводимости n-типа до проводимости p-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость п-типа; полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, может являться р-п-структурой с плавным легированием от п типа к р типу по направлению течения тока.

Для отвода тепла от блока рассеяния или подготовки дополнительно используют радиатор.

Перед блоком рассеивания тепла установлен и электрически соединен с указанным блоком полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты.

Перед блоком подготовки может быть установлен и электрически соединен с указанным блоком полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты.

Заявленный технический результат достигается за счет конструктивных особенностей разработанного устройства, в частности, за счет того, что полупроводниковый компонент ТОУ, отвечающий за охлаждение, разнесен с полупроводниковым компонентом ТОУ, отвечающим за рассеивание тепла. При этом охлаждающий полупроводниковый компонент ТОУ находится непосредственно на компоненте устройства, нуждающимся в охлаждении, или в теплообменнике самостоятельно, или в составе батареи. Рассеивающий тепло полупроводниковый компонент ТОУ находится вне охлаждаемого устройства. Например, в месте, удобном для рассеивания тепла.

Краткое описание чертежей

Цели, особенности и преимущества данного изобретения станут более очевидными после обращения к следующему описанию и приложенным чертежам, на которых изображено:

Фиг. 1. Схематическое изображение электрической схемы ТОУ. Фиг. 2. Варианты исполнения блока рассеивания или блока подготовки: а) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника p-типа; Ь) элемент указанных блоков выполнен из двух полупроводников, первый из которых по направлению движения электронов является полупроводником с проводимостью п- типа, а другой - проводником с проводимостью p-типа; с) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника переменной проводимости (проводимости п- типа до проводимости p-типа по направлению движения электронов; d) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и имеет проводимость n-типа; е) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая в направлении движения электронов меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и имеет проводимость p-типа; f) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводникас меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием по направлению движения электронов от п типа к р типу .

Фиг. 3. Варианты исполнения блока охлаждения: а) элемент указанного блока выполнен из полупроводника n-типа; Ь) элемент указанного блока выполнен из двух полупроводников, первый из которых по направлению движения электронов является полупроводником с проводимостью p-типа, а другой - проводником с проводимостью n-типа; с) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода, до с меньшей работой выхода и имеет проводимость p-типа; d) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода, до полупроводника с меньшей работой выхода и имеет проводимость n-типа; е) элемент указанных блоков выполнен из полупроводника с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода, до полупроводника с меньшей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием в направлении движения электронов от p-типа к п-типу.

1 - блок питания; 2 - блок подготовки; 3 - блок охлаждения; 4 - блок рассеивания тепла; 5 - блок управления; 6 - полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты; 7 - проводник для соединения блока рассеивания или подготовки и блока охлаждения; 8 - проводник для соединения блока охлаждения и блока рассеивания; 1.1 - омический контакт; 1.2 - полупроводник с проводимостью р-типа; 1.3 - полупроводник с проводимостью п- типа; 1.4 - полупроводника переменной проводимости (проводимости n-типа до проводимости p-типа по направлению движения электронов); 1.5 - полупроводник с варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость п- типа; 1.6 - варизонная структура, которая в направлении движения электронов меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость р-типа; 1.7 - полупроводник с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием по направлению движения электронов от п типа к р типу; 1.8 - полупроводник с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с с меньшей работой выхода и имеет проводимость р-типа; 1.9 - полупроводника с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода и имеет проводимость п-типа; 1.10 - подложка; 1.11 - полупроводник с варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием в направлении движения электронов от р-типа к n-типу; I - полупроводниковый элемент блока подготовки; II - полупроводниковый элемент блока рассеивания; III - полупроводниковый элемент блока охлаждения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение предлагает ТОУ, в котором охлаждающий компонент, находящийся непосредственно в контакте с объектом охлаждения, разнесен в пространстве с компонентом рассеивания тепла.

В настоящей заявке под ТОУ понимают устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии в тепловую, основанное на эффекте Пельтье и эффекте Томсона. В научно-технической и патентной литературе нет терминологического единообразия. Этот объект называют также «термоэлектрическое охлаждающее устройство», «модуль Пельтье», «панель Пельтье».

Фиг. 1 схематически изображает электрическую схему подключения ТОУ. Устройство состоит из восьми основных элементов:

1) Блок питания 1 .

Блок питания 1 (может совмещаться с штатным блоком питания охлаждаемого устройства). Назначение - обеспечение устройства постоянным напряжением.

2) Блок подготовки 2.

Блок подготовки 2, электрически связанный с блоком питания 1. Блок подготовки 2 вне зависимости от исполнения выполняет функцию снижения энергии электрона через процесс рекомбинации носителей заряда. Рассеяние тепла в окружающее пространство вне охлаждаемого объекта или там где это удобно от блока подготовки 2 может осуществляться непосредственно или при помощи дополнительных устройств, усиливающих теплопередачу (к примеру радиатор) и излучение (к примеру полупроводниковое устройство преобразования энергии электронов в кванты).

Блок подготовки 2 выполнен в виде полупроводникового элемента I, содержащего по меньшей мере один полупроводник 1.2-1.6, выращенный на подложке 1.10. Причем на противоположных сторонах полупроводникового элемента I расположены контакты 1.1 , в т.ч. омические с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов для включения в электрическую цепь. Контакты 1.1 снабжены выводами или прижимными контактами и покрыты электроизоляционным слоем, например, оксидом кремния или полимерами, например, полиэтилен, полипропилен, поликарбонаты, способным проводить тепло.

В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.2 полупроводникового элемента I блока подготовки 2 имеет проводимость р-типа (дырочную проводимость). В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводниковый элемент I блока подготовки 2 содержит два полупроводника 1.2, 1.3, один из которых по направлению движения электронов является полупроводником с проводимостью n-типа, а другой - проводником с проводимостью p-типа. В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.4 полупроводникового элемента I блока подготовки 2 является полупроводником переменной проводимости (от электронной (от проводимости п- типа) до дырочной (до проводимости p-типа по направлению движения электронов). В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.5 полупроводникового элемента I блока подготовки 2 является варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость p-типа. В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.6 полупроводникового элемента I блока подготовки 2 является варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием по направлению движения электронов от п типа к р типу.

Блок подготовки 2 также может снабжаться радиатором, который плотно прилегает к полупроводниковому элементу I блока подготовки 2 по крайней мере с одной стороны полупроводникового элемента, что обеспечивает эффективную теплопередачи от полупроводникового элемента I к радиатору, увеличивающему рассеивание тепла на одной или двух сторонах полупроводникового элемента I. Площадь и форма блока подготовки 2 может изменятся в широких пределах и зависит от технической задачи: при увеличении мощности устройства увеличивается площадь блока подготовки 2, при необходимости возможно изменение контура блока подготовки 2 в двухмерной плоскости, при необходимости возможно изготовление полупроводниковой части с любой криволинейной поверхностью.

3) Блок охлаждения 3.

Блок охлаждения 3 находится непосредственно в контакте с объектом, нуждающимся в охлаждении (процессор компьютера, фотоэлектрические приборы, различные реакторы требующие постоянной температуры и т. д.). Основной задачей блока охлаждения 3, вне зависимости от исполнения - охлаждение объекта путем отбора тепла и преобразование тепловой энергии в энергию электронов, составляющих электрический ток. Это происходит за счет преобразование тепловых колебаний кристаллической решётки полупроводника в энергию электронов путём образования электрон-дырочных пар.

Блок охлаждения 3 выполнен в виде полупроводникового элемента III, содержащего полупроводник, выращенный на подложке 1.10. В качестве полупроводника полупроводникового элемента III используют: полупроводник 1.3 с проводимостью n-типа; два полупроводника 1.2, 1.3 первый из которых по направлению движения электронов является полупроводником с проводимостью р- типа, а другой - полупроводником с проводимостью n-типа; полупроводник 1.8 является варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода и имеет проводимость p-типа; полупроводник 1.9 является варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода и имеет проводимость n-типа; полупроводник 1.11 является варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с большей работой выхода до полупроводника с меньшей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием в направлении движения электронов от p-типа к п-типу.

Причем, с одной стороны полупроводникового элемента III блока охлаждения 3, расположен контакта 1.1 (подложка может выполнять роль контакта, при этом в случае изготовления полупроводниковой структуры из кремния - германия возможно выращивание на подготовленной металлической основе с промежуточным слоем из силицида металла основы указанных структур, которые также могут образовывать твёрдые растворы), а с другой стороны полупроводникового элемента расположен омический контакт 1.1. Весь блок покрыт электроизолирующим слоем, способным проводить тепло, например, оксидом кремния или полимерами, например: полиэтилен, полипропилен, поликарбонаты.

Поверх блока охлаждения 3 (сторона, не контактирующая с охлаждаемым объектом) может находится слой теплоизоляции, например, вспененное стекло и т. п.

Площадь и форма блока охлаждения 3 может изменятся в широких пределах и зависит от технической задачи: при увеличении мощности устройства увеличивается площадь блока охлаждения 3, при необходимости возможно изменение контура блока в двухмерной плоскости, при необходимости возможно изготовление полупроводниковой части с любой криволинейной поверхностью.

4) Блок рассеивание тепла 4.

Блок рассеивание тепла 4 осуществляет рассеивание тепла, полученного от блока охлаждения 3 в окружающую среду.

Назначение блока рассеивания тепла 4 - преобразование избыточной энергии электронов, составляющих электрический ток, в тепловую энергию и (или в энергию фотонов) и рассеивание её в окружающую среду вне охлаждаемого устройства

Блоки рассеивания тепла 4, вне зависимости от исполнения, выполняют функцию снижения энергии электрона через процесс рекомбинации носителей заряда и рассеивание выделенной энергии в виде тепла (путём теплообмена и или выделения фотонов) в окружающее пространство.

Конструктивно блок рассеивания тепла 4 выполнен аналогично блоку подготовки 2.

Блок рассеивания тепла 4 выполнен в виде полупроводникового элемента, содержащего по меньшей мере один полупроводник 1.2-1.6, выращенный на подложке 1.10. Причем на противоположных сторонах элемента расположены контакты 1.1 с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов для включения в электрическую цепь, контакты 1.1 снабжены выводами или прижимными контактами и покрыты электроизоляционным слоем, например, оксидом кремния или полимерами, например: полиэтилен, полипропилен, поликарбонаты, способным проводить тепло.

В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.2 полупроводникового элемента II блока рассеивания тепла 4 имеет проводимость р- типа (дырочную проводимость). В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводниковый элемент II блока рассеивания тепла 4 содержит два полупроводника 1.2, 1.3, один из которых по направлению движения электронов является полупроводником с проводимостью n-типа, а другой - проводником с проводимостью p-типа. В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.4 полупроводникового элемента II блока рассеивания тепла 4 является полупроводником переменной проводимости (от электронной (от проводимости n-типа) до дырочной (до проводимости p-типа по направлению движения электронов). В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.5 полупроводникового элемента II блока рассеивания тепла 4 является варизонной структурой, которая меняется от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода и имеет проводимость p-типа. В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводник 1.6 полупроводникового элемента II блока рассеивания тепла 4 является варизонной структурой, которая меняется в направлении движения электронов от полупроводника с меньшей работой выхода до полупроводника с большей работой выхода, и представляет собой структуру с плавным легированием по направлению движения электронов от п типа к р типу.

Блок рассеивания тепла 4 также может снабжаться радиатором который плотно прилегает к полупроводниковому элементу блока рассеивания тепла 4 по крайней мере с одной стороны указанного элемента, что обеспечивает эффективную теплопередачи от полупроводникового элемента к радиатору, увеличивающему рассеивание тепла на одной или двух сторонах полупроводникового элемента.

Рассеивание тепла происходит благодаря нескольким физическим процессам: излучение и конвекция. Площадь и форма блока рассеивания тепла 4 может изменятся в широких пределах и зависит от технической задачи. Площадь и форма блока рассеивания тепла 4 может изменятся в широких пределах и зависит от технической задачи: при увеличении мощности устройства увеличивается площадь блока рассеивания тепла 4, при необходимости возможно изменение контура блока в двухмерной плоскости, при необходимости возможно изготовление полупроводниковой части с любой криволинейной поверхностью.

5) Блок управления 5.

ТОУ может быть оборудовано блоком управления 5 интенсивностью охлаждения. Блок управления 5 получает питание от блока питания 1 и электрически связан с блоком охлаждения 3.

6) Полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты.

Полупроводниковый элемент преобразования энергии электронов в кванты является устройством для рассеивания энергии в окружающую среду в виде излучения (в случае невозможного или недостаточного рассеивания потоков при теплопередаче и конвекции). В случае использования более одного полупроводникового элемента преобразования энергии электронов в кванты, они подключаются параллельно. Количество, мощность и конструкция полупроводниковых элементов преобразования энергии электронов в кванты может меняться в широких пределах и зависит от технической задачи. В качестве полупроводникового элемента преобразования энергии электронов в кванты используют известные полупроводниковые устройства, преобразующие энергию электронов в фотоны, в т.ч. термоэлектрические светодиоды.

7) Проводник 7. Проводник 7 соединяет блок подготовки 2 блок охлаждения 3, либо блок рассеивания 4 и блок охлаждения 3. Материал проводника подобран таким образом, чтобы проводить ток с электронами определённых энергий, а также не образовывать высокий потенциальный барьер с контактами выхода блока рассеивания и контактами входа блока охлаждения. Например, проводник из никеля с работой выхода 4.91-5.01 эВ (, электроны, попавшие в проводник из блока рассеяния или подготовки и обладающие энергией равной или находящейся в диапазоне +- кТ (-0.025 эВ) от энергии электронов на уровне ферми никеля смогут быть переданы по проводнику без термализации на значительное расстояние. В качестве проводника 7 применяют также золото или платину.

8) Проводник 8.

Проводник 8 соединяет блок охлаждения 3 и блок рассеивания 4, а также блок питания 1 и блок подготовки 2. Материал проводника подобран таким образом, чтобы проводить ток с электронами определённых энергий, а также не образовывать высокий потенциальный барьер с контактами выхода блока охлаждения и контактами входа блока рассеивания. Например, проводник из магния с работой выхода 3.67 эВ (Алюминия с работой выхода 4.2 эВ, медь с работой выхода 4.4 эВ), электроны, попавшие в проводник из блока охлаждения и обладающие энергией равной или находящейся в диапазоне +- кТ (-0.025 эВ) от энергии электронов на уровне ферми магния смогут быть переданы по проводнику без термализации на значительное расстояние. В качестве проводника 8 применяют также алюминий и медь.

Каждый полупроводниковый элемент III блока охлаждения 3 соединен с соответствующей полупроводниковым элементом II блока рассеивания и образует с ней пару, таких пар может быть более одной.

В предлагаемом техническом решении электрический ток выступает в роли теплоносителя, поэтому материал проводника для транспортировки электрического тока на разных участках цепи ТОУ подбирается с учётом средней энергии электронов проходящего по проводнику тока.

В предлагаемом техническом решении для эффективного рассеивания тепла в условиях космического пространства используются полупроводниковые структуры, преобразующие энергию электронов в световое излучение (светодиоды и т. д.).

В предлагаемом техническом решении наряду с традиционными термоэлектрическими материалами для охлаждения (теллурид висмута) возможно использование варизонных полупроводниковых структур в том числе с переменным легированием. Для блока охлаждения, в качестве полупроводника применяют, например, ln(x)GaAs или Ge(x)Si. Для блока рассеяния применяют те же материалы с изменением направления движения электронов (изменение полярности приложенного напряжения).

Варизонные полупроводники выполнены в виде пластин. Варизонные полупроводники могут быть произведены методом жидкофазной эпитаксии, газофазной ионно-пучковой эпитаксии, диффузии или путём напыления германия и кремния на подложку из алюминия или никеля.

Вместе с тем в качестве подложки могут быть использованы другие материалы, которые соответствуют свойствам материалов варизонных полупроводников.

Контакты представляют собой неразъёмно соединенные с внешними поверхностями полупроводникового блока горизонтально ориентированные пластины. Для разных полупроводников в качестве контактов разные материалы, в частности различные металлы или их сплавы, которые обладает высокой теплопроводностью, химической стойкостью и устойчивостью к действию высокой температуры. Контакты могут быть нанесены послойно.

Заявленное устройство работает следующим образом. Электроны, составляющие электрический ток, после из блока питания 1 по проводнику 8 из магния поступают на полупроводниковый элемент блока подготовки 2. Электроны в проводнике 8, имеют среднюю энергию равную уровню ферми для материала проводника в диапазоне +- кТ (температура Т отличается от температуры абсолютного нуля, Плотность заполнения энергетических уровней электронами зависит от температуры вещества. При Т=0°К заполнены будут уровни с самой низкой энергией. При повышении температуры часть электронов займет более высокий энергетический уровень (начнет подобно молекулам газа хаотически перемещаться по металлу). Плотность заполнения энергетических уровней электронами описывается функцией Ферми-Дирака). В блоке подготовке осуществляется уменьшение средней энергии электронов до уровня, соответствующего уровню ферми в проводнике 7 из никеля. В процессе рекомбинации носителей заряда в полупроводниковом элементе I блока подготовки 2, приводящей к уменьшению средней энергии электронов за счет того, что электроны занимают более низкие энергетические уровни (в зависимости от того прямозонный полупроводник или нет) с появлением фонона (тепловые колебания кристаллической решётки), либо фотона (может покидать структуру, либо поглощаться ею с возникновением фонона). В случае затруднений с рассеиванием тепла теплопередачей и конвекцией устройства, преобразующие энергию электронов в фотоны решают эту проблему частично или полностью. Электроны, покинувшие блок подготовки 2 со средней энергией ниже, чем у электронов, попавших в блок подготовки, по проводнику 7 попадают на полупроводниковый элемент III блока охлаждения 3. В полупроводниковом элементе III блока охлаждения 3 электроны скачкообразно (если блок охлаждения 3 выполнен из однородного полупроводника с однородным легированием, либо из полупроводниковой структуры, имеющей р-n переход) или плавно (если блок охлаждения 3 выполнен из полупроводника с варизонной структурой) под воздействием внешнего поля и поглощения фононов (генерация электрон дырочных пар как основной физический процесс и эффект Томсона (в случае варизонных структур) как второстепенный процесс) попадает в область полупроводника с высоким уровнем ферми, при этом за счёт поглощения фононов происходит охлаждение полупроводникового элемента III блока охлаждения 3, который вплотную установлен к с объекту, нуждающемуся в охлаждении (например, процессор компьютера) и охлаждает указанный объект. Средняя энергия электронов, покинувших блок охлаждения 3 выше средней энергии электронов попавших в блок охлаждения и соответствует уровню ферми для материала проводника 8, что позволяет без термализации передать поглощённое тепло в виде энергии электронов, составляющих электрический ток на значительное расстояние. Электроны по проводнику 8 поступают на полупроводниковый элемент II блока рассеяния 4, где происходит процесс аналогичный процессу в блоке подготовки 2, при этом происходит рассеивание тепла, образованного за счет снижения энергии электронов, в окружающую среду через поверхность полупроводникового элемента II. Кроме того, в случае невозможного или недостаточного рассеивания потоков при теплопередаче и конвекции перед блоком рассеивания установлен по крайней мере один полупроводниковый элемент 6 преобразования энергии электронов в кванты, который дополнительно осуществляет рассеивание тепла в окружающую среду. Из блока рассеивания 4 электроны со средней энергии электронов ниже чем средняя энергия электронов, попавших в блок рассеивания, поступают в блок питания 1. В случае применения в конструкции ТТО более одного полупроводникового элемента II в блоке рассевания 4 и более одного полупроводникового элемента III в блоке охлаждения 3, электроны с предыдущего полупроводникового элемента II поступают последовательно на следующие последовательно соединенные проводниками 7 и 8 полупроводниковый элемент III и полупроводниковый элемент II, а уже из последнего полупроводникового элемента III из необходимого количества полупроводниковых элементов II b III в конструкции ТТО, электроны поступают в блок питания 1.

Блок управления измеряет температуру (охлаждаемого объекта, охлаждающего элемента, тепловыделяющего элемента) и в случае отклонения параметров от заданных изменяет характеристики электропитания для возвращения температурных параметров к заданным.

Наличие в заявленном устройстве блока рассеивания, позволяющего осуществлять рассеивание тепла, полученного от блока охлаждения в окружающую среду, позволяет увеличить производительность и КПД ТОУ за счет того, что не происходит перегрев заявленного устройства из-за отведения тепла, и как следствие отключение устройства, с целью его охлаждения для исключения выхода устройства из строя.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.