ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2006 года по МПК H01L35/28 

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

Прототипом изобретения является ТЭБ, описанная в [1]. ТЭБ содержит несколько (N) каскадов, состоящих из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов (ТЭ), каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводников соответственно p- и n-типа. Ветви ТЭ соединяются между собой посредством коммутационных пластин. Электрически последовательно соединенные коммутационными пластинами ТЭ, образующие ТЭБ, заключены между двумя высокотеплопроводными электроизоляционными пластинами - теплопереходами (обычно керамическими).

ТЭБ собрана таким образом, что горячие спаи N-го каскада ТЭ опираются на холодные спаи (N-1)-го каскада ТЭ. Горячие спаи (N-1)-го каскада ТЭ опираются на холодные спаи (N-2)-го каскада ТЭ и т.д. Горячие спаи первого каскада ТЭ приводятся в тепловой контакт с теплообменным устройством, а холодные спаи N-го каскада ТЭ сопрягаются с объектом охлаждения. При такой конструкции холодные спаи (1-го) каскада ТЭ снимают тепло с горячих спаев второго каскада, холодные спаи второго каскада ТЭ охлаждают горячие спаи третьего и т.д., а холодные спаи N-го каскада ТЭ охлаждают объект воздействия.

Недостатками известной конструкции являются недостаточная надежность работы каскадной ТЭБ, рассчитанной на большие токи питания, из-за значительных механических напряжений вследствие биметаллического эффекта; сложность ее технологической реализации; наличие значительных контактных электрических и тепловых сопротивлений.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание термоэлектрической батареи, лишенной указанных недостатков. Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности и надежности, а также упрощение технологии изготовления ТЭБ.

Поставленная задача достигается тем, что в термоэлектрической батарее, состоящей из N каскадов термоэлементов, образованных последовательно соединенными в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующимися ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно p- и n-типа, при этом термоэлектрическая батарея собрана таким образом, что горячие контакты последующего каскада приводятся в тепловой контакт с холодными контактами предыдущего, где холодные контакты последнего N-го каскада сопрягаются с объектом охлаждения, а горячие контакты первого каскада - с теплообменным устройством, электрическое соединение ветвей p- и n-типа в каскадах осуществляется посредством контакта ветвь p-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь p-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с противоположной, причем тепловой контакт отдельных каскадов осуществляется за счет сопряжения горячих коммутационных пластин последующего каскада с холодными коммутационными пластинами предыдущего каскада посредством полых электроизолированных снаружи трубопроводов, содержащих диэлектрические вставки и заправленных теплоносителем, за исключением крайних в каждом каскаде, при этом на верхней и нижней внутренней торцевой поверхности трубопроводов имеется оребрение, а крайние коммутационные пластины на тепловых стыках всех каскадов выполнены сплошными.

Изобретение поясняется чертежом, где схематическим изображена термоэлектрическая батарея.

Тепловой контакт отдельных каскадов осуществляется за счет сопряжения коммутационных пластин 1 последующего каскада с коммутационными пластинами 2 предыдущего каскада посредством полых электроизолированных снаружи трубопроводов 5, заправленных теплоносителем 6, содержащих диэлектрические вставки 7, за исключением крайних на всех тепловых стыках каскадов. Крайние коммутационные пластины на тепловых стыках выполнены сплошными. При этом коммутационные пластины 1 N-го каскада сопрягаются с коммутационными пластинами 2 (N-1)-го каскада. Коммутационные пластины 1 (N-1)-го каскада сопрягаются с коммутационными пластинами 2 (N-2)-го каскада и т.д. С коммутационных пластин 1 первого каскада ТЭБ посредством трубопроводов 5 с теплоносителем 6 производится съем тепла в окружающую среду за счет естественного либо принудительного теплообмена. Коммутационные пластины 2 N-го каскада также через трубопроводы 5 с теплоносителем 6 сопрягаются тем или иным образом с объектом охлаждения.

Электрическое соединение каскадов осуществляется за счет выполнения крайних коммутационных пластин сплошными. Подвод электрической энергии к ТЭБ производится через контактные площадки 9.

На верхней и нижней внутренней торцевой поверхности трубопроводов 5 имеется оребрение 8.

ТЭБ работает следующим образом.

При прохождении через ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии, между коммутационными пластинами 1 и 2 каждого каскада, представляющими собой контакты ветвей p- и n-типа 3 и 4, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на фиг.1 полярности электрического тока происходит нагрев коммутационных пластин 1 и охлаждение коммутационных пластин 2.

При тепловом контакте трубопроводов 5, одним концом связанных с коммутационными пластинами 2 N-го каскада, а другим концом - с объектом охлаждения, за счет выделения тепла последнего происходит кипение теплоносителя 6, его испарения и перемещение пара по трубопроводам 5 к поверхности коммутационных пластин 2 N-го каскада. На холодных коммутационных пластинах 2 N-го каскада происходит конденсация теплоносителя 6. Далее следует его стекание назад в зону нагрева (контакта трубопроводов 5 с объектом охлаждения). Диэлектрические вставки 7 обеспечивают электроизоляцию средних термоэлементов каскадов при одновременном обеспечении надежного теплового контакта между ними.

При нагреве коммутационных пластин 1 N-го каскада за счет эффекта Пельтье происходит кипение теплоносителя 6 в трубопроводах 5, соединяющих коммутационные пластины 1 N-го каскада и коммутационные пластины 2 (N-1)-го каскада, его испарение и перемещение пара к поверхности коммутационных пластин 2 (N-1)-го каскада, где происходит его конденсация. Полученный конденсат стекает в зону нагрева - к поверхности коммутационных пластин 1 N-го каскада. Аналогичный процесс происходит в остальных трубопроводах, осуществляющих тепловой контакт каскадов ТЭБ. При этом трубопроводы 5 с теплоносителем 6, связанные одним концом с коммутационными пластинами 1 1-го каскада, другим концом тем или иным образом обмениваются теплом с окружающей средой. Крайние коммутационные пластины между стыками ТЭБ выполнены сплошными и одновременно выполняют функцию токоподводов к вышележащему каскаду.

Оребрение 8 трубопроводов 5 интенсифицирует теплообмен между коммутационными пластинами 1, 2 и теплоносителем 6.

Основными преимуществами заявляемой конструкции ТЭБ являются:

1. Возможность сборки припоем одной температуры плавления, а не «ступенчатыми» припоями с различными температурами плавления и соответственно с различными теплофизическими и механическими свойствами.

2. Упрощение технологии изготовления.

3. Повышение надежности в работе за счет сведения к нулю биметаллических эффектов.

4. Обеспечение возможности изготовления каскадов батарей более 3-5 без осложнения конструкции и технологии их изготовления.

5. Возможность использования ветви различной длины, что дает возможность более точного согласования таких параметров как оптимальный ток и перепад температур для каждой пары ветвей p- и n-типа, следствием чего является повышение энергетической эффективности ТЭБ.

6. Снижение материалоемкости - расхода материала полупроводников и коммутационных пластин.

7. Использование теплоносителя позволит повысить эффективность передачи тепла от объекта охлаждения и системы теплосброса к коммутационным пластинам, а также между холодными и горячими коммутационными пластинами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Л.: Наука, 1967.

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям каскадных термоэлектрических батарей (ТЭБ). Технический результат: повышение эффективности и надежности, а также упрощение технологии изготовления каскадной ТЭБ. Сущность: ТЭБ содержит N каскадов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника p-типа и n-типа. Электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь p-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь p-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с противоположной. Тепловой контакт отдельных каскадов осуществляется за счет сопряжения коммутационных пластин последующего каскада с коммутационными пластинами предыдущего каскада посредством полых электроизолированных снаружи трубопроводов, заправленных теплоносителем, содержащих диэлектрические вставки, за исключением крайних на всех тепловых стыках каскадов. Крайние коммутационные пластины на тепловых стыках выполнены сплошными. На верхней и нижней внутренней торцевой поверхности трубопроводов имеется оребрение. 1 ил.

Термоэлектрическая батарея, состоящая из N каскадов термоэлементов, образованных последовательно соединенными в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующимися ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно p- и n-типа, при этом термоэлектрическая батарея собрана таким образом, что горячие контакты последующего каскада приводятся в тепловой контакт с холодными контактами предыдущего, где холодные контакты последнего N-го каскада сопрягаются с объектом охлаждения, а горячие контакты первого каскада - с теплообменным устройством, отличающаяся тем, что в каскадах электрическое соединение ветвей p- и n-типа осуществляется посредством контакта ветвь p-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь p-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с противоположной, причем тепловой контакт отдельных каскадов осуществляется за счет сопряжения горячих коммутационных пластин последующего каскада с холодными коммутационными пластинами предыдущего каскада посредством полых электроизолированных снаружи трубопроводов, содержащих диэлектрические вставки и заправленных теплоносителем, за исключением крайних в каждом каскаде, при этом на верхней и нижней внутренней торцевой поверхности трубопроводов имеется оребрение, а крайние коммутационные пластины на тепловых стыках всех каскадов выполнены сплошными.