ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2007 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 верхнего 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.

При такой конструкции холодные спаи нижнего (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 понижают температуру объекта 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.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности функционирования, а также упрощение технологии изготовления ТЭБ.

Цель достигается тем, что в каскадах ТЭБ 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 к одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - к противоположной. Ветви p- и n-типа расположены в одной перпендикулярной к коммутационной пластине плоскости, причем коммутационные пластины имеют площадь несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей p- и n-типа, вследствие чего их части выступают за поверхность структуры, образованной ветвями p- и n-типа. При этом части коммутационных пластин, осуществляющих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а части коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, - за другую, а тепловой контакт каскадов осуществляется за счет сопряжения холодных коммутационных пластин предыдущего каскада с горячими коммутационными пластинами последующего каскада через высокотеплопроводную диэлектрическую прослойку за исключением крайних коммутационных пластин в каждом каскаде. Электрическое соединение каскадов в ТЭБ последовательное и осуществляется за счет электрического соединения крайней ветви предыдущего каскада с крайней ветвью последующего каскада посредством крайней коммутационной пластины с образованием холодного контакта. Причем для какого-либо каскада (за исключением 1-го и N-го) одна из крайних ветвей электрически контактирует посредством коммутационной пластины с крайней ветвью предыдущего каскада, а вторая - с крайней ветвью последующего каскада, а подвод электрической энергии осуществляется через контактные площадки, нанесенные на крайнюю ветвь 1-го и крайнюю ветвь N-го каскада.

ТЭБ (см. чертеж) содержит несколько (N) каскадов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин 1 и 2 чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника p-типа 3 и n-типа 4. Электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь p-типа 3 - коммутационная пластина 1 или 2 - ветвь n-типа 4, где ветвь p-типа 3 контактирует торцевой поверхностью, к одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа 4 - к противоположной, при этом ветви p- и n-типа расположены в одной перпендикулярной к коммутационной пластине плоскости. Коммутационные пластины 1 и 2 имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей p- и n-типа 3 и 4, вследствие чего их части выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ. При этом части нечетных коммутационных пластин 1 выступают за одну поверхность структуры, а части четных коммутационных пластин 2 - за другую.

Тепловой контакт отдельных каскадов осуществляется посредством теплового сопряжения коммутационных пластин 2 последующего каскада с коммутационными пластинами 1 предыдущего каскада через высокотеплопроводную диэлектрическую прослойку 5 за исключением крайних коммутационных пластин в каждом каскаде. При этом коммутационные пластины 2 верхнего N-го каскада сопрягаются с коммутационными пластинами 1 (N-1)-го каскада. Коммутационные пластины 2 (N-1)-го каскада сопрягаются с коммутационными пластинами 1 (N-2)-го каскада и т.д. С коммутационных пластин 2 первого каскада ТЭБ производится съем тепла в окружающую среду за счет естественного либо принудительного теплообмена. Коммутационные пластины 1 N-го каскада сопрягаются тем или иным образом с объектом, температура которого подлежит снижению.

Последовательное электрическое соединение каскадов в ТЭБ осуществляется за счет электрического соединения крайней ветви предыдущего каскада с крайней ветвью последующего каскада посредством крайней коммутационной пластины с образованием холодного контакта. При этом для какого либо каскада (за исключением 1-го и N-го) одна из крайних ветвей электрически контактирует посредством коммутационной пластины с крайней ветвью предыдущего каскада, а вторая - с крайней ветвью последующего каскада. Для N-го каскада обе крайние ветви электрически контактируют посредством коммутационной пластины с крайней ветвью (N-1)-го каскада.

При этом подвод электрической энергии осуществляется через контактные площадки 6, нанесенные на крайние ветви 1-го каскада.

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 чертеже полярности электрического тока происходит нагрев четных коммутационных пластин 2 и охлаждение нечетных - 1. Для каскадной ТЭБ холодные коммутационные пластины 1 первого каскада в этом случае снимают тепло с горячих коммутационных пластин 2 второго каскада, холодные коммутационные пластины 1 второго каскада охлаждают горячие коммутационные пластины 2 третьего каскада и т.д., а холодные коммутационные пластины 1 N-го каскада понижают температуру объекта воздействия. При этом тепло с горячих коммутационных пластин 2 первого каскада рассеивается в окружающую среду за счет естественного, либо принудительного теплообмена.

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. Уменьшение толщины коммутационных пластин, следствием чего является значительное уменьшение их электрических сопротивлений и теплоемкостей, что дает возможность достигнуть более низких температур, а также уменьшает длительность выхода ТЭБ на рабочий режим.

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

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 функционирования, а также упрощение технологии изготовления. Сущность: электрическое соединение ветвей p- и n-типа в каскадах ТЭБ осуществляется посредством контакта ветвь p-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа. Ветвь p-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с противоположной. Ветви p- и n-типа расположены в одной перпендикулярной к коммутационной пластине плоскости. Части коммутационных пластин, осуществляющих холодные контакты, выступают за одну поверхность ТЭБ, а части коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, - за другую. Тепловой контакт каскадов осуществляется за счет сопряжения холодных коммутационных пластин предыдущего каскада с горячими коммутационными пластинами последующего каскада через высокотеплопроводную диэлектрическую прослойку, за исключением крайних коммутационных пластин. Электрическое соединение каскадов осуществляется за счет электрического соединения крайней ветви предыдущего каскада с крайней ветвью последующего каскада посредством крайней коммутационной пластины с образованием холодного контакта. Одна из крайних ветвей каскада (за исключением 1-го и N-го) электрически контактирует посредством коммутационной пластины с крайней ветвью предыдущего каскада, а вторая - с крайней ветвью последующего каскада. Подвод электрической энергии осуществляется через контактные площадки, нанесенные на крайнюю ветвь 1-го и крайнюю ветвь N-го каскада. 1 ил.

Термоэлектрическая батарея, состоящая из нескольких (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, при этом ветви p- и n-типа расположены в одной перпендикулярной к коммутационной пластине плоскости, причем коммутационные пластины имеют площадь несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей p- и n-типа, вследствие чего их части выступают за поверхность структуры, образованной ветвями p- и n-типа, при этом части коммутационных пластин, осуществляющих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а части коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, - за другую, а тепловой контакт каскадов осуществляется за счет сопряжения холодных коммутационных пластин предыдущего каскада с горячими коммутационными пластинами последующего каскада через высокотеплопроводную диэлектрическую прослойку, за исключением крайних коммутационных пластин в каждом каскаде, при этом электрическое соединение каскадов в термоэлектрической батарее последовательное и осуществляется за счет электрического соединения крайней ветви предыдущего каскада с крайней ветвью последующего каскада посредством крайней коммутационной пластины с образованием холодного контакта, причем для какого-либо каскада (за исключением 1-го и N-го) одна из крайних ветвей электрически контактирует посредством коммутационной пластины с крайней ветвью предыдущего каскада, а вторая - с крайней ветвью последующего каскада, а подвод электрической энергии осуществляется через контактные площадки, нанесенные на крайнюю ветвь 1-го и крайнюю ветвь N-го каскада.