ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2006 года по МПК H01L35/28 

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

Известна 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 коммутация обеих ветвей (р- и n-типа) к коммутационной пластине производится к одной и той же плоской поверхности по краям последней. При этом термоэлемент имеет «П-образную» форму, где вертикальные элементы - р- и n-ветви, а горизонтальные - коммутационные пластины. Электрически последовательно соединенные коммутационными пластинами термоэлементы, образующие ТЭБ, заключены между двумя высокотеплопроводными электроизоляционными пластинами - теплопереходами (обычно керамическими).

Недостатками известной конструкции являются: наличие механических напряжений, обусловленных биметаллическим эффектом, значительных контактных электрических и тепловых сопротивлений (коммутационных пластин и теплопереходов), теплопритоков от горячих коммутационных пластин к холодным по межтермоэлементным промежуткам, снижающих эффективность функционирования ТЭБ, а также перепады температур между коммутационными пластинами и объектом охлаждения, коммутационными пластинами и системой теплосброса.

Наиболее близкой к заявленной является ТЭБ, описанная в [2], 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, электрическое соединение ветвей осуществляется 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, причем каждая ветвь контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами.

Известная ТЭБ не позволяет достичь значительного перепада температур при использовании жидких теплоносителей.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание термоэлектрической батареи, лишенной указанных недостатков.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение перепада температур за счет работы термобатареи в регенеративном режиме.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в термоэлектрической батарее, состоящей 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, электрическое соединение ветвей осуществляется 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, причем каждая ветвь в термоэлектрической батарее контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами, коммутационные пластины имеют сквозные отверстия, выполненные во взаимно перпендикулярных плоскостях и соединенные посредством электроизоляционных трубопроводов в единый канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи протекает теплоноситель, причем канал образуется таким образом, что сначала посредством электроизоляционных трубопроводов последовательно соединяются все отверстия в четных (нечетных) коммутационных пластинах, а затем также последовательно - отверстия в нечетных (четных) коммутационных пластинах, а между последовательно соединенными электроизоляционными трубопроводами отверстиями в четных (нечетных) коммутационных пластинах и отверстиями в нечетных (четных) коммутационных пластинах имеется область сопряжения канала с теплоносителем с объектом охлаждения, при этом термоэлектрическая батарея и трубопроводы изолированы от окружающей среды за счет теплоизоляции.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена термоэлектрическая батарея.

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 осуществляется 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 сквозные отверстия соответственно 5 и 6, выполненные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Отверстия 5 и 6 всех коммутационных пластин 1 и 2 посредством электроизоляционных трубопроводов 7 соединяются в единый канал, по которому в процессе функционирования ТЭБ протекает теплоноситель. Канал образуется таким образом, что сначала посредством электроизоляционных трубопроводов 7 последовательно соединяются все отверстия 5 в коммутационных пластинах 1, а затем также последовательно - отверстия 6, выполненные в коммутационных пластинах 2. Между последовательно соединенными электроизоляционными трубопроводами 7 отверстиями 5 в коммутационных пластинах 1 и отверстиями 6 в коммутационных пластинах 2 имеется область сопряжения канала с теплоносителем 8 с объектом охлаждения 9.

На крайней торцевой поверхности ветвей, находящихся соответственно в начале и конце ТЭБ, имеются контактные площадки 10, посредством которых осуществляется подвод к ТЭБ электрической энергии. ТЭБ и трубопроводы 7 изолированы от окружающей среды за счет теплоизоляции 11.

ТЭБ работает следующим образом.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии (не показан) 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 и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на чертеже полярности электрического тока происходит охлаждение коммутационных пластин 1 и нагрев коммутационных пластин 2. При этом имеет место охлаждение теплоносителя при его протекании по части канала, образованной последовательно соединенными шлангами 7 отверстиями 5 в коммутационных пластинах 1, отвод тепла от объекта охлаждения 9 в области сопряжения 8 и нагрев теплоносителя в части канала, образованной последовательно соединенными электроизоляционными трубопроводами 7 отверстиями 6 в коммутационных пластинах 2. Далее осуществляется охлаждение нагретого теплоносителя за счет естественного либо принудительного теплообмена с окружающей средой посредством системы теплосброса.

Заявляемая ТЭБ имеет следующие преимущества по сравнению с существующим аналогом:

1. Исключение механических напряжений, вызванных биметаллическим эффектом и, следовательно, повышение надежности ТЭБ.

2. В заявляемой конструкции в значительной мере уменьшаются перетоки тепла с горячих контактов на холодные контакты соседних ветвей ТЭБ.

3. Коммутирующие пластины вследствие специфики исполнения контактов ТЭБ имеют намного меньшую толщину по направлению электрического тока, чем в аналоге, следствием чего является значительное уменьшение их электрических и термических сопротивлений и теплоемкостей, что дает возможность достигнуть более низких температур, а. также уменьшает постоянную времени выхода на рабочий режим ТЭБ; кроме того, уменьшаются контактные электрические сопротивления.

4. В заявляемой конструкции могут быть использованы ветви различной длины, что дает возможность для более точного согласования таких параметров, как оптимальный ток и перепад температур для каждой пары ветвей р- и n- типа, следствием чего является повышение энергетической эффективности ТЭБ.

5. Улучшенные условия теплообмена между объектом охлаждения и коммутационными пластинами, а также коммутационными пластинами и окружающей средой.

6. Предложенная схема коммутации по каналу теплоносителя позволяет использовать ТЭБ в регенеративном режиме, за счет чего достигается ее максимальная холодопроизводительность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бурштейн А.И. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств. М.: Физматгиз, 1962.

2. Б.С.Поздняков, Е.А.Коптелов, Термоэлектрическая энергетика, М.: Атомиздат, 1974 г., с.88, рис.5.13.

Изобретение относится к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ). Технический результат: увеличение перепада температур за счет работы в регенеративном режиме. Сущность: 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 осуществляется 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 в ТЭБ контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами. Коммутационные пластины имеют сквозные отверстия, выполненные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Отверстия всех коммутационных пластин посредством электроизоляционных трубопроводов соединяются в единый канал, по которому в процессе функционирования ТЭБ протекает теплоноситель. Канал образуется таким образом, что сначала посредством электроизоляционных трубопроводов последовательно соединяются все отверстия в четных (нечетных) коммутационных пластинах, а затем также последовательно - отверстия, выполненные в нечетных (четных) коммутационных пластинах. Между последовательно соединенными электроизоляционными трубопроводами отверстиями в четных (нечетных) коммутационных пластинах и отверстиями в нечетных (четных) коммутационных пластинах имеется область сопряжения канала с теплоносителем с объектом охлаждения. ТЭБ и трубопроводы изолированы от окружающей среды за счет теплоизоляции. 1 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, электрическое соединение ветвей осуществляется 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, причем каждая ветвь в термоэлектрической батарее контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами, отличающаяся тем, что коммутационные пластины имеют сквозные отверстия, выполненные во взаимно перпендикулярных плоскостях и соединенные посредством электроизоляционных трубопроводов в единый канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи протекает теплоноситель, причем канал образуется таким образом, что сначала посредством электроизоляционных трубопроводов последовательно соединяются все отверстия в четных (нечетных) коммутационных пластинах, а затем также последовательно - отверстия в нечетных (четных) коммутационных пластинах, а между последовательно соединенными электроизоляционными трубопроводами отверстиями в четных (нечетных) коммутационных пластинах и отверстиями в нечетных (четных) коммутационных пластинах имеется область сопряжения канала с теплоносителем с объектом охлаждения, при этом термоэлектрическая батарея и трубопроводы изолированы от окружающей среды за счет теплоизоляции.