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 со 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 увеличение 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, при этом 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, причем, что концы нечетных коммутационных пластин выступают за одну поверхность структуры, а концы четных коммутационных пластин - за другую, коммутационные пластины в той части, которая выступает за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, имеют сквозные отверстия, соединенные посредством трубопроводов, выполненных из электроизоляционного материала, в единый канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи протекает теплоноситель, причем канал образуется таким образом, что сначала посредством трубопроводов последовательно соединяются все отверстия в четных (нечетных) коммутационных пластинах, а затем также последовательно - отверстия в нечетных (четных) коммутационных пластинах, а между последовательно соединенными 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 теплоизоляцией.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена конструкция ТЭБ. 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 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. Концы нечетных коммутационных пластин 1 выступают за одну поверхность структуры, а концы четных коммутационных пластин 2 - за другую.

Коммутационные пластины 1 и 2 в той части, которая выступает за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, имеют сквозные отверстия соответственно 5 и 6. Отверстия 5 и 6 всех коммутационных пластин посредством трубопроводов 7, выполненных из электроизоляционного материала, соединяются в единый канал, по которому в процессе функционирования ТЭБ протекает теплоноситель. Канал образуется таким образом, что сначала посредством 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 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 функционирует следующим образом.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии (на фиг.1 не показан) через контактные площадки 10, между коммутационными пластинами 1 и 2, представляющими собой контакты ветвей р- и п-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 2 и охлаждение коммутационных пластин 1. При этом имеет место охлаждение теплоносителя при его протекании по части канала, образованной последовательно соединенными трубопроводами 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 трубопроводами 7 отверстиями 6 в коммутационных пластинах 2. Далее осуществляется охлаждение нагретого теплоносителя за счет естественного либо принудительного теплообмена с окружающей средой.

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 коммутационными пластинами и объектом охлаждения, коммутационными пластинами и окружающей средой.

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. 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 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. Коммутационные пластины в той части, которая выступает за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, имеют сквозные отверстия. Отверстия всех коммутационных пластин последовательно соединены посредством трубопроводов, выполненных из электроизоляционного материала, в единый канал, по которому в процессе функционирования ТЭБ протекает теплоноситель. Между последовательно соединенными 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, при этом 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, причем концы нечетных коммутационных пластин выступают за одну поверхность структуры, а концы четных коммутационных пластин - за другую, отличающаяся тем, что коммутационные пластины в той части, которая выступает за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, имеют сквозные отверстия, соединенные посредством трубопроводов, выполненных из электроизоляционного материала, в единый канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи протекает теплоноситель, причем канал образуется таким образом, что сначала посредством трубопроводов последовательно соединяются все отверстия в четных (нечетных) коммутационных пластинах, а затем также последовательно - отверстия в нечетных (четных) коммутационных пластинах, а между последовательно соединенными 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 теплоизоляцией.