ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 1997 года по МПК H01L35/28 F25B21/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к термоэлектрическим приборам на твердом теле, работающим на основе эффекта Пельтье, и может быть использовано в электрических холодильных установках и в преобразователях тепловой энергии в электрическую.

Известны термоэлектрические батареи, содержащие ряд чередующихся полупроводниковых стержней n-типа и p-типа, расположенных поперечно на расстояниях между собой, расположенные вдоль ряда полупроводниковых стержней в шахматном порядке с противоположных сторон от них коммутационные пластины из электропроводного материала, попарно электрически последовательно соединяющие соседние полупроводниковые стержни разного типа, и теплообменные элементы, соединенные с коммутационными пластинами /1/. Несмотря на малую механическую прочность и высокую хрупкость полупроводниковых стержней, представляющих собой монокристаллы, такие термоэлектрические батареи в целом обладают достаточной механической прочностью благодаря тому, что механические нагрузки, которые могут действовать на них, распределяются между всеми полупроводниковыми стержнями. Но эффективность таких термоэлектрических батарей понижена из-за того, что теплообменные элементы выполнены из электропроводного материала, и во избежание закорачивания электрической цепи через теплообменные элементы они должны быть электрически изолированы от коммутационных пластин посредством слоя электрической изоляции, которая обладает плохой теплопроводностью.

Известна также термоэлектрическая батарея, содержащая ряд чередующихся полупроводниковых стержней n-типа и p- типа, расположенных продольно на расстоянии между собой, и поперечно расположенные между ними теплообменные элементы из электро- и теплопроводного материала, каждый из которых соединен с двумя соседними полупроводниковыми стержнями, причем теплообменный элемент может быть выполнен петлеобразным с первым концом электрически и жестко механически соединенным с одним из соседних полупроводниковых стержней и вторым концом электрически и жестко механически соединенным с другим из соседних полупроводниковых стержней /2/.

Концы каждого петлеобразного теплообменного элемента такой термоэлектрической батареи замкнуты и жестко соединены между собой.

В этой термоэлектрической батарее улучшена эффективность работы благодаря теплопередаче непосредственно между полупроводниковыми стержнями и теплообменными элементами, которые одновременно выполняют функции электрических проводников, электрически последовательно соединяющихся между собой полупроводниковые стержни.

Однако из-за малой механической прочности и высокой хрупкости полупроводниковых стержней, через каждый из которых передаются все нагрузки при изгибе, сжатии и растяжении, такая термоэлектрическая батарея при чрезмерно большой жесткости обладает малой прочностью и может разрушаться не только под воздействием вибраций и внешних нагрузок при работе, но даже под действием собственного веса в процессе сборки.

Целью изобретения является создание высокоэффективной термоэлектрической батареи, обладающей высокой механической прочностью, а также облегчение сборки такой термоэлектрической батареи.

Эта цель достигнута тем, что в термоэлектрической батарее, содержащей по меньшей мере один ряд чередующихся полупроводниковых стержней n-типа и p- типа, расположенных продольно на расстоянии между собой, и поперечно расположенные межу ними теплообменные элементы из электро- и теплопроводного материала, каждый из которых соединен с двумя соседними полупроводниковыми стержнями, причем по меньшей мере один теплообменный элемент выполнен петлеобразным с первым концом, электрически и жестко механически соединенным с одним из соседних полупроводниковых стержней, и вторым концом, электрически и жестко механически соединенным с другим из соседних полупроводниковых стержней, согласно изобретению указанный петлеобразный теплообменный элемент выполнен незамкнутым с зазором между концами, соединенными с соседними полупроводниковыми стержнями.

Такое выполнение термоэлектрической батареи позволяет уменьшить ее жесткость и разгрузить полупроводниковые стержни от передачи большей части механических нагрузок, которые воспринимаются упруго деформируемыми петлеобразными теплообменными элементами, в результате чего повышена прочность термоэлектрической батареи в целом. При этом общее электрическое сопротивление термоэлектрической батареи с незамкнутыми петлеобразными теплообменными элементами, выполняющими функции электрических проводников между соседними полупроводниковыми стержнями, практически не увеличено благодаря хорошей электропроводности материала теплообменных элементов.

Каждый незамкнутый петлеобразный теплообменный элемент может быть выполнен из двух частей, жестко соединенных со стороны, противоположной его концам, соединенным с соседними полупроводниковыми стержнями. Такое выполнение облегчает сборку термоэлектрической батареи при ее изготовлении.

Термоэлектрическая батарея может быть снабжена по меньшей мере одним кожухом, охватывающим полупроводниковые стержни и концы теплообменных элементов, соединенные с полупроводниковыми стержнями. Такое выполнение термоэлектрической батареи улучшает ее эксплуатационные качества благодаря дополнительному повышению ее прочности.

Указанный кожух может быть выполнен с пазами для прохода концов теплообменных элементов, соединенных с полупроводниковыми стержнями, и снабжен установленными в пазах уплотнителями. Такое выполнение кожуха облегчает сборку частей термоэлектрической батареи при ее изготовлении и улучшает эксплуатационные качества термоэлектрической батареи благодаря герметизации полупроводниковых стержней.

На чертеже показана термоэлектрическая батарея в продольном разрезе.

Термоэлектрическая батарея содержит ряд чередующихся полупроводниковых стержней разного типа, а именно стержни 1 n-типа и стержни 2 p-типа. Стержни 1 и 2 расположены продольно в ряд на расстоянии между собой. Между стержнями 1, 2 поперечно расположены теплообменные элементы 3, 4 из электро- и теплопроводного материала, например, из меди или сплава на основе меди. Теплообменные элементы 3 выполнены петлеобразными и расположены с одной стороны от ряда полупроводниковых стержней 1, 2, а теплообменные элементы 4 расположены с другой стороны от ряда полупроводниковых стержней 1, 2. С крайними полупроводниковыми стержнями соединены электрические проводники 5, 6, предназначенные для соединения термоэлектрической батареи с источником постоянного напряжения (не показаны).

Петлеобразные теплообменные элементы 3 выполнены незамкнутыми с зазором m между концами 3a и 3b. Первый конец 3a теплообменного элемента 3 электрически и жестко механически соединен с одним из соседних полупроводниковых стержней со стержнем 2, например, припаян к нему, второй конец 3b теплообменного элемента 3 таким же образом электрически и жестко механически соединен с другим из соседних полупроводниковых стержней со стержнем 1. Каждый теплообменный элемент 4 выполнен из двух частей 4', 4'', которые своими концами 4a, 4b, электрически и жестко механически соединенными между собой, например, припаяны один к другому. Конец 4a первой части 4' теплообменного элемента 4 электрически и жестко механически соединен с полупроводниковым стержнем 1, например, припаян к нему, конец 4b второй части 4'' теплообменного элемента 4 таким же образом электрически и жестко механически соединен со следующим соседним полупроводниковым стержнем 2, и т.д.

Каждый теплообменный элемент 3 выполнен из двух частей 3' и 3'' которые жестко соединены между собой, например припаяны одна к другой, со стороны 3c, противоположной концам 3a, 3b. Каждая часть 3', 3'' выполнена в виде пластины из листового материала. Части 3', 3'' имеют одинаковую толщину.

Боковые стороны теплообменных элементов 3, 4 выполнены плоскими и расположены на одинаковых расстояниях межу собой, приблизительно равных расстояниям между плоскими боковыми сторонами соседних теплообменных элементов.

Термоэлектрическая батарея, кроме описанных выше полупроводниковых стержней 1 n-типа, полупроводниковых стержней 2 p-типа, теплообменных элементов 3, 4 и электрических проводников 5, 6, содержит также кожух 7 из электро- и теплоизоляционного материала, например, из пластмассы, охватывающий полупроводниковые стержни 1, 2 и концы 3a, 3b, 4a, 4b теплообменных элементов 3, 4, соединенные с полупроводниковыми стержнями.

Кожух 7 выполнен с пазами 8 для прохода концов 3a, 3b, 4a, 4b теплообменных элементов 3, 4. В пазах 8 установлены уплотнители 9.

Теплообменные элементы 3 и 4 могут быть выполнены с жалюзийными просечками 10, 11 или другими средствами интенсификации процесса теплообмена.

Сборку термоэлектрической батареи производят в следующей последовательности.

Сначала спаивают между собой концы 4a, 4b частей 4', 4'' каждого теплообменного элемента 4, и к каждому теплообменному элементу 4 с двух сторон припаиваются одними своими торцами полупроводниковые стержни 1 и 2. Затем к другим торцам полупроводниковых стержней 1 и 2 припаивают отдельные части 3', 3'' теплообменных элементов 3 и припаивают к крайним полупроводниковым стержням электрические проводники 5 и 6. Полученные узлы вставляют в пазы 8 кожуха 7. Затем спаивают между собой части 3', 3'' теплообменных элементов 3 со стороны 3c и герметизируют пазы 8 при помощи уплотнителей 9.

Термоэлектрическая батарея работает следующим образом.

При подключении проводников 5, 6 к источнику постоянного напряжения и протекания тока через электрическую цепь, образованную последовательно соединенными полупроводниковыми стержнями 1, 2 и теплообменными элементами 3, 4, в результате действия эффекта Пельтье происходит нагрев торцoв (не обозначены) полупроводниковых стержней 1, 2, соединенных с теплообменными элементами 3, и охлаждение торцoв (не обозначены) полупроводниковых стержней 1, 2, соединенных с теплообменными элементами 4. Теплообменные элементы 3 нагревают окружающую их первую текучую среду, например, воздух в одном канале (не показан), а теплообменные элементы 4 охлаждают окружающую их вторую текучую среду, например, воздух в другом канале (не показан). Циркуляция текучей среды в каналах может происходить под действием конвекции или при помощи вентиляторов (не показаны). Жалюзийные просечки 10, 11 теплообменных элементов 3, 4 или иные средства интенсификации теплообмена способствуют улучшению теплообмена между теплообменными элементами 3, 4 и текучей средой. При изменении полярности напряжения происходит охлаждение теплообменных элементов 3 и нагрев теплообменных элементов 4. В случае нагрева одних из теплообменных элементов и охлаждении других теплообменных элементов внешним источником тепла создается электрическое напряжение между проводниками 5, 6 благодаря эффекту Зеебека.

Изобретение может быть использовано в холодильных и нагревательных устройствах радиоэлектронной аппаратуры, в бытовых холодильниках и кондиционерах воздуха, а также в преобразователях тепловой энергии в электрическую.

Использование: изобретение относится к электротехнике, а именно к термоэлектрическим приборам на твердом теле, работающим на основе эффекта Пельтье, и может быть использовано в электрических холодильных установках и преобразователях тепловой энергии в электрическую. Сущность: термоэлектрическая батарея содержит ряд чередующихся полупроводниковых стержней n-типа и p-типа, расположенных продольно на расстоянии между собой, и поперечно расположенные между ними теплообменные элементы из электро- и теплопроводного материала, соединенные с полупроводниковыми стержнями. Некоторые теплообменные элементы выполнены петлеобразными. У петлеобразного теплообменного элемента первый конец электрически и жестко механически соединен с одним из соседних полупроводниковых стержней, а второй конец электрически и жестко механически соединен с другим из соседних стержней. Петлеобразные теплообменные элементы выполнены незамкнутыми с зазором между концами, соединенными с соседними полупроводниковыми стержнями. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэлектрическая батарея, содержащая по меньшей мере один ряд чередующихся полупроводниковых стержней n- и p-типа, расположенных продольно на расстояниях между собой, и поперечно расположенные между ними теплообменные элементы из электро- и теплопроводного материала, каждый из которых соединен с двумя соседними полупроводниковыми стержнями, причем по меньшей мере один теплообменный элемент выполнен петлеобразным с первым концом, электрически и жестко механически соединенным с одним из соседних полупроводниковых стержней, и вторым концом, электрически и жестко механически соединенным с другим из соседних полупроводниковых стержней, отличающаяся тем, что петлеобразный теплообменный элемент выполнен незамкнутым с зазором между его концами, соединенными с соседними полупроводниковыми стержнями. 2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что незамкнутый петлеобразный теплообменный элемент выполнен из двух частей, жестко соединенных между собой со стороны, противоположной его концам. 3. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним кожухом, охватывающим полупроводниковые стержни и концы теплообменных элементов, соединенные с полупроводниковыми стержнями. 4. Батарея по п. 3, отличающаяся тем, что кожух выполнен с пазами для прохода концов теплообменных элементов, соединенных с полупроводниковыми стержнями, и снабжен установленными в пазах уплотнителями.