ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2006 года по МПК H01L35/28 

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ).

Прототипом изобретения является ТЭБ, описанная в [1]. ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем ветви р-типа и n-типа контактируют торцевыми поверхностями соответственно с двумя противоположными поверхностями коммутационной пластины. Коммутационные пластины имеют несколько большую площадь, чем площадь поперечного сечения ветвей, вследствие чего они выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, причем, нечетные коммутационные пластины выступают за одну поверхность структуры, а четные коммутационные пластины - за другую.

Недостатками известной конструкции являются наличие перетока тепла от поверхности ветвей ТЭБ к коммутационным пластинам, следствием чего является наличие на коммутационных пластинах дополнительной тепловой нагрузки, а также сложность сопряжения коммутационных пластин с объектами охлаждения и системой теплосброса.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и повышение эффективности функционирования ТЭБ.

Для достижения указанной цели заявляется ТЭБ, состоящая из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, причем ветви р-типа и n-типа контактируют торцевыми поверхностями соответственно с двумя противоположными поверхностями коммутационной пластины. Коммутационные пластины же имеют несколько большую площадь, чем площадь поперечного сечения ветвей, вследствие чего они выступают за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, причем, нечетные коммутационные пластины выступают за одну поверхность структуры, а четные коммутационные пластины - за другую. При этом коммутационные пластины своими концами контактируют с электроизолированными друг от друга площадками, выполненными в виде пленок металлов или сплавов, нанесенными на высокотеплопроводные керамические пластины теплопереходы, а свободное пространство, ограниченное керамическими пластинами и поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи заполнено теплоизоляцией.

Конструкция ТЭБ приведена на фиг.1-2. ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин 1 и 2 чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р-типа 3 и n-типа 4. Электрическое соединение ветвей осуществляют посредством контакта ветвь р-типа 3 - коммутационная пластина 1 или 2 - ветвь n-типа 4, где ветвь р-типа 3 контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа 4 - с другой. Каждая ветвь в ТЭБ контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами 1 и 2. Коммутационные пластины 1 и 2 имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа 3 и 4, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, как это изображено на фиг.1. Концы нечетных коммутационных пластин 1 выступают за одну поверхность структуры, а концы четных коммутационных пластин 2 - за другую, как это изображено на фиг.2. На фиг.1 изображена ТЭБ с керамическими пластинами - теплопереходами. Свободные концы коммутационных пластин 1 и 2 припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам 5 и 6, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамические пластины 7 и 8. Пространство, ограниченное керамическими пластинами 7 и 8 и поверхностью структуры, образованной ветвями ТЭБ, заполнено теплоизоляцией 9. На крайней торцевой поверхности ветвей, находящихся соответственно в начале и конце ТЭБ имеются контактные площадки 10, посредством которых осуществляется электрический контакт к ТЭБ. В случае работы ТЭБ в режиме холодильника к контактам 10 подводится электрическая энергия от блока питания, а в случае работы ТЭБ в режиме термоэлектрического генератора с контактов 10 снимается электрическая энергия.

ТЭБ в режиме холодильника функционирует следующим образом. При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии через контактные площадки 10, между коммутационными пластинами 1 и 2, представляющими собой контакты ветвей р- и n-типа 3 и 4, возникает разность температур, обусловленная выделением на одних соседних концах ветвей - четных или нечетных коммутационных пластинах, и поглощением на других соседних концах ветвей - нечетных или четных коммутационных пластинах, теплоты Пельтье. При указанной на фиг.1 полярности электрического тока происходит нагрев концов ветвей, контактирующих с четными коммутационными пластинами 2 и охлаждение концов ветвей, контактирующих с нечетными 1. Если при этом за счет теплоотвода температура теплоперехода 8, с которым контактируют площадки 6 с припаянными коммутационными пластинами 2, поддерживается на постоянном уровне, то температура теплоперехода 7, находящегося в тепловом контакте через контактные площадки 5 с холодными спаями 1 термоэлементов, понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на теплопереходе 7 будет зависеть от тепловой нагрузки на нем. Тепловая нагрузка складывается из теплопритока из окружающей среды, тепла от горячих контактов, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля, а также тепла, поступающего от объекта охлаждения. Теплоизоляция 9 служит для уменьшения теплопритока из окружающей среды, а также от поверхности ветвей ТЭБ.

ТЭБ в режиме термоэлектрического генератора функционирует следующим образом. При наличии источника тепла, нагревающего, например, теплопереход 7, а также имеющие с ним непосредственный тепловой контакт площадки 5 и коммутационные пластины 1, и системы, рассеивающей тепло с теплоперехода 8, площадок 6 и коммутационных пластин 2, между коммутационными пластинами 1 и 2 устанавливается некоторая разность температур. При наличии такой разности температур между коммутационными пластинами 1 и 2, осуществляющими контакт ветвей р- и n-типа 3 и 4, между контактными площадками 10 возникает разность потенциалов - термо-э.д.с., обусловленная эффектом Зеебека. При замыкании контактных площадок 10 на определенную электрическую нагрузку в образовавшейся цепи возникает постоянный электрический ток. Величина протекающего в цепи электрического тока зависит от значения термо-э.д.с., которая в свою очередь зависит от коэффициента термо-э.д.с. термоэлектрического материала, числа термоэлементов в ТЭБ, разности температур между коммутационными пластинами 1 и 2, и величины электрической нагрузки.

Литература

1. Поздняков Б.С., Коптелов Е.А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974.

Изобретение относится к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ). Технический результат: снижение тепловой нагрузки на коммутационных пластинах, упрощение сопряжения коммутационных пластин с объектами охлаждения и системой теплосброса. Сущность: термоэлектрическая батарея (ТЭБ) состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р-типа и n-типа. Электрическое соединение ветвей осуществляют посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой. Каждая ветвь контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами. Коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ. Концы нечетных коммутационных пластин выступают за одну поверхность структуры, а концы четных коммутационных пластин - за другую. Концы коммутационных пластин контактируют с электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамические пластины. Пространство, ограниченное керамическими пластинами и поверхностью структуры, образованной ветвями ТЭБ, заполнено теплоизоляцией. 2 ил.

Термоэлектрическая батарея, состоящая из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, причем ветви р-типа и n-типа контактируют торцевыми поверхностями соответственно с двумя противоположными поверхностями коммутационной пластины, коммутационные пластины имеют несколько большую площадь, чем площадь поперечного сечения ветвей, вследствие чего они выступают за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, причем нечетные коммутационные пластины выступают за одну поверхность структуры, а четные коммутационные пластины - за другую, отличающаяся тем, что коммутационные пластины своими концами контактируют с электроизолированными друг от друга площадками, выполненными в виде пленок металлов или сплавов, нанесенными на высокотеплопроводные керамические пластины - теплопереходы, а свободное пространство, ограниченное керамическими пластинами и поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, заполнено теплоизоляцией.