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 в виде меандры, 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 вдоль линии посредством сплошных коммутационных пластин, выполненных, как правило, из меди. Электрически последовательно соединенные коммутационными пластинами термоэлементы, образующие ТЭБ, заключены между двумя высокотеплопроводными электроизоляционными пластинами - теплопереходами (обычно керамическими).

Недостатком известной конструкции является невозможность механической развязки объекта охлаждения, ТЭБ и системы теплосброса, а также сложность сопряжения с охлаждаемым (нагреваемым) объектом в случае работы ТЭБ в качестве холодильника и теплоподводящим (теплоотводящим) узлом в случае работы ТЭБ в качестве термоэлектрического генератора, размещенными в труднодоступных удаленных друг от друга местах, в том числе являющимися составной частью блока с плотной упаковкой элементов, или размещаемыми в герметичном объеме.

Для устранения указанного недостатка заявляется ТЭБ, коммутационные элементы которой выполнены в виде гибких электроизолированных теплопроводов с контактными площадками на концах, одними контактными площадками которые с двух сторон соединены с ветвями полупроводников р- и n-типа, а вторыми контактными площадками - с электроизолированными друг от друга площадками, выполненными в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамические пластины - теплопереходы, или в виде медных пластин, напаянных на электроизолированные пленочные контакты керамической пластины, причем все четные коммутационные пластины соединены с одним, а нечетные - с другим теплопереходом - керамической пластиной.

Конструкция ТЭБ приведена на чертеже.

ТЭБ содержит последовательно соединенные в электрическую цепь полупроводниковые термоэлементы, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа 1 и 2. Ветви 1 и 2 термоэлементов расположены вдоль линии, а коммутационные элементы 3 и 4 выполнены в виде гибких электроизолированных друг от друга теплопроводов - медных шин 5 с контактными площадками 6 и 7 на концах, изготовленными из электропроводного материала. Контактные площадки 6 соединены с двух сторон с ветвями полупроводника р- и n-типа 1 и 2, а контактные площадки 7 - с электроизолированными друг от друга контактными площадками 8, выполненными в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамические пластины - теплопереходы 9, или в виде медных пластин, напаянных на электроизолированные пленочные контакты керамической пластины, причем все четные коммутационные пластины 4 соединены с одним, а нечетные 3 - другим теплопереходом. Контакты 10 служат для подвода электрической энергии к ТЭБ в случае ее работы в качестве термоэлектрического холодильника и отвода электрической энергии от ТЭБ в случае ее работы в качестве термоэлектрического генератора.

В режиме термоэлектрического холодильника ТЭБ работает следующим образом.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии через контакты 10, между коммутационными элементами 3 и 4, представляющими собой контакты ветвей р- и n-типа 1 и 2, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье в местах соединения ветвь р-типа 1 - контактная площадка 6 - ветвь n-типа 2 и ветвь n-типа 2 - контактная площадка 6 - ветвь р-типа 1. При указанной на чертеже полярности электрического тока происходит нагрев коммутационных элементов 3 и охлаждение коммутационных элементов 4. Соответственно имеет место охлаждение верхнего теплоперехода 9, контактирующего через электроизолированные площадки с коммутационными элементами 3. Если при этом за счет теплоотвода температура нижнего теплоперехода 9, контактирующего через площадки 8 с коммутационными элементами 3, поддерживается на постоянном уровне, то температура верхнего теплоперехода, находящегося в тепловом контакте с коммутационными элементами 4 через контактные площадки 8, понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на верхнем теплопереходе 9 будет зависеть от тепловой нагрузки на нем. Тепловая нагрузка складывается из теплопритока от окружающей среды, тепла от горячих контактов, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля, а также тепла, поступающего от объекта охлаждения.

Предложенное исполнение ТЭБ позволит осуществлять механически гибкое сочленение охлаждаемого объекта (источника теплоты) и системы теплосброса, а также контакт с охлаждаемым (нагреваемым) объектом, находящимся в труднодоступном месте за счет специальной конструкции коммутационных элементов (протяженности и гибкости), при этом потери тепла на коммутационных элементах будут незначительны.

ТЭБ в режиме термоэлектрического генератора функционирует следующим образом.

При наличии источника тепла, нагревающего, например, нижний теплопереход 9, а также имеющие с ним непосредственный тепловой контакт коммутационные элементы 3, и системы, рассеивающей тепло с верхнего теплоперехода 9 и коммутационных элементов 4, между коммутационными элементами 3 и 4 устанавливается некоторая разность температур. При наличии такой разности температур между коммутационными пластинами 3 и 4, осуществляющими контакт ветвей р- и n-типа 1 и 2, между контактами 10 возникает разность потенциалов - термо-э.д.с., обусловленная эффектом Зеебека. При замыкании контактов 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 элементами 3 и 4 и величины электрической нагрузки.

Преимуществом использования данной конструкции является обеспечение возможности гибкого сопряжения элемента тепловыделения, ТЭБ и системы теплосброса, а также удобство сопряжения теплопереходов 9 с системой, рассеивающей тепло, и источником тепла, находящихся в труднодоступных и отдаленных друг от друга местах.

Литература

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

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ). Технический результат: упрощение сопряжения ТЭБ с охлаждаемым (нагреваемым) объектом или источником тепла и системой теплосброса при нахождении сопрягаемых объектов в труднодоступных местах. ТЭБ содержит последовательно соединенные в электрическую цепь полупроводниковые термоэлементы, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа. Ветви термоэлементов расположены вдоль линии. Коммутационные элементы выполнены в виде гибких электроизолированных теплопроводов - медных шин с контактными площадками на концах, изготовленными из электропроводного материала. Первые контактные площадки соединены с двух сторон с ветвями полупроводника р- и n-типа. Вторые контактные площадки соединены с электроизолированными друг от друга площадками, выполненными в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамические пластины - теплопереходы, или в виде медных пластин, напаянных на электроизолированные пленочные контакты керамической пластины. Все четные коммутационные пластины соединены с одним, а нечетные - с другим теплопереходом. 1 ил.

Термоэлектрическая батарея, состоящая из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных элементов полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, заключенных между двумя теплопереходами, отличающаяся тем, что коммутационные элементы выполнены в виде гибких электроизолированных теплопроводов с контактными площадками на концах, одни контактные площадки которых с двух сторон соединены с ветвями полупроводников р- и n-типа, а вторые контактные площадки - с электроизолированными друг от друга контактами, выполненными в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на теплопереходы - керамические пластины, или в виде медных пластин, напаянных на электроизолированные пленочные контакты керамической пластины, причем все четные коммутационные элементы соединены с одним, а нечетные - с другим теплопереходом - керамической пластиной.