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 сложность эффективного съема тепла с горячих спаев термоэлементов.

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 на термобатарее за счет уменьшения перепада температур между горячими спаями и теплоносителем, отводящим тепло.

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 осуществлено 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, при этом нечетные (четные) 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 термоэлектрической батареи, нечетные (четные) коммутационные пластины припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину, а каждая четная (нечетная) коммутационная пластина в своей центральной части имеет сквозное отверстие, при этом отверстия всех четных (нечетных) коммутационных пластин посредством электроизоляцонных трубопроводов соединены в единый канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи прокачивается охлаждающая жидкость, а пространство, ограниченное керамической пластиной и верхней поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, заполнено теплоизоляцией, которая также нанесена на оставшуюся поверхность термоэлектрической батареи.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена термоэлетрическая 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 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. Свободные концы коммутационных пластин 1 припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам 5, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину 6.

При этом каждая коммутационная пластина 2 в своей центральной части имеет сквозное отверстие 7. Отверстия 7 всех коммутационных пластин 2 посредством электроизоляционных трубопроводов 8 соединяются в единый канал, по которому в процессе функционирования ТЭБ прокачивается охлаждающая жидкость.

Пространство, ограниченное керамической пластиной 6 и верхней поверхностью структуры, образованной ветвями ТЭБ, заполнено теплоизоляцией 9. Слой теплоизоляции 9 также нанесен на оставшуюся поверхность ТЭБ. 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 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 и поглощением теплоты Пельтье. При этом необходимо соблюдать такую полярность электрического тока, при которой поглощение тепла происходило бы на коммутационных пластинах 1, а выделение - на коммутационных пластинах 2 (на фиг.1: плюс - к ветви n-типа 4, а минус - к ветви р-типа 3).

Если за счет прокачивания охлаждающей жидкости по каналу, образованному электроизоляционными трубопроводами 8 и сквозными отверстиями 7 в коммутационных пластинах 2, температуру последних поддерживать на постоянном уровне, то температура коммутационных пластин 1, а также связанных с ними электроизолированными площадками 5 и керамической пластины 6 понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на керамической пластине 6 будет зависеть от тепловой нагрузки на ней. Тепловая нагрузка складывается из теплопритока от окружающей среды, тепла от горячих коммутационных пластин 2, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля, а также тепла, поступающего от объекта охлаждения. Теплоизоляция 9 служит для уменьшения теплопритока из окружающей среды.

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. Уменьшается толщина теплопереходов - слой диэлектрического материала 6 имеет незначительную толщину.

5. 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.

6. Улучшенные условия теплообмена между теплоносителем и коммутационной пластиной.

ЛИТЕРАТУРА

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

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

Изобретение относится к конструкциям термоэлектрических батарей. Технический результат: увеличение перепада температур на термобатарее и снижение металлоемкости. Сущность: термоэлектрическая батарея (ТЭБ) состоит 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. Каждая ветвь контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами. Нечетные (четные) коммутационные пластины имеют площадь несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа. Их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ. Свободные концы нечетных (четных) коммутационных пластин припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину. Каждая четная (нечетная) коммутационная пластина в своей центральной части имеет сквозное отверстие. Отверстия всех коммутационных пластин посредством электроизоляционных трубопроводов соединены в единый канал, по которому в процессе функционирования ТЭБ прокачивается охлаждающая жидкость. Пространство, ограниченное керамической пластиной и верхней поверхностью структуры, образованной ветвями ТЭБ, заполнено теплоизоляцией. Слой теплоизоляции также нанесен на оставшуюся поверхность ТЭБ. 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 р- и n-типа осуществлено 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, при этом нечетные (четные) 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 термоэлектрической батареи, отличающаяся тем, что нечетные (четные) коммутационные пластины припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину, а каждая четная (нечетная) коммутационная пластина в своей центральной части имеет сквозное отверстие, при этом отверстия всех четных (нечетных) коммутационных пластин посредством электроизоляционных трубопроводов соединены в единый канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи прокачивается охлаждающая жидкость, пространство, ограниченное керамической пластиной и верхней поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, заполнено теплоизоляцией, которая также нанесена на оставшуюся поверхность термоэлектрической батареи.