ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2008 года по МПК H01L35/28 

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

Прототипом изобретения является 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 ветви р-типа и n-типа контактируют торцевыми поверхностями соответственно с двумя противоположными поверхностями коммутационной пластины. Коммутационные пластины имеют несколько большую площадь, чем площадь поперечного сечения ветвей, вследствие чего они выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ.

Недостатком известной конструкции является необходимость использования коммутационных пластин относительно большой толщины для эффективной теплоотдачи от них к объектам охлаждения (нагрева), что приводит к увеличению теплового и электрического сопротивления контакта.

Целью изобретения является повышение эффективности теплоотдачи коммутационных пластин ТЭБ к объекту охлаждения и системе теплоотвода.

Для достижения указанной цели ветви термоэлементов установлены наклонно в одной из координатных плоскостей, причем ветви, выполненные из полупроводника р-типа, расположены под углом, противоположным углу наклона ветвей, выполненных из полупроводника n-типа, а угол наклона между ветвями α лежит в пределах - При этом коммутационные пластины, выполненные в форме трехгранной призмы, впаиваются в пространство, ограниченное концами ветвей р- и n-типов и имеют хороший тепловой контакт своей третьей свободной гранью с высокотеплопроводными керамическими пластинами.

Конструкция ТЭБ приведена на чертеже. 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. При этом ветви 3 и 4 выполнены наклонными в одной из координатных плоскостей. Причем ветви 4 расположены под углом, противоположным углу наклона ветвей 3, а угол наклона между ветвями α лежит в пределах - Коммутационные пластины 1 и 2, выполненные в форме трехгранной призмы, впаиваются в пространство, ограниченное концами ветвей р- 3 и n-типов 4 и имеют хороший тепловой контакт своей третьей свободной поверхностью с высокотеплопроводными керамическими пластинами 5, 6. Пространство, ограниченное керамическими пластинами 5, 6 и поверхностью структуры, образованной ветвями ТЭБ, заполнено теплоизоляцией 7, причем слой теплоизоляции нанесен также на оставшуюся поверхность ТЭБ. К крайним коммутационным пластинам, находящимся соответственно в начале и конце ТЭБ, в случае работы ТЭБ в режиме холодильника подводится электрическая энергия от блока питания, а в случае работы ТЭБ в режиме термоэлектрического генератора снимается электрическая энергия.

ТЭБ в режиме холодильника функционирует следующим образом. При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии, между коммутационными пластинами 1 и 2, представляющими собой контакты ветвей р- и n-типов 3 и 4, возникает разность температур, обусловленная выделением на одних соседних концах ветвей - четных или нечетных коммутационных пластинах, и поглощением на других соседних концах ветвей - нечетных или четных коммутационных пластинах, теплоты Пельтье. При указанной на чертеже полярности электрического тока происходит нагрев концов ветвей, контактирующих с коммутационными пластинами 1 и охлаждение концов ветвей, контактирующих с коммутационными пластинами 2. Если при этом за счет теплоотвода температура керамической пластины 6, с которой контактируют коммутационные пластины 1, поддерживается на постоянном уровне, то температура керамической пластины 5, находящейся в тепловом контакте с коммутационными пластинами 2, понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на керамической пластине 5 будет зависеть от тепловой нагрузки на нем. Тепловая нагрузка складывается из теплопритока из окружающей среды, тепла от горячих контактов, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля, а также тепла, поступающего от объекта охлаждения. Теплоизоляция 7 служит для уменьшения теплопритока из окружающей среды.

ТЭБ в режиме термоэлектрического генератора функционирует следующим образом. При наличии источника тепла, нагревающего, например, керамическую пластину 5, а также имеющие с ним непосредственный тепловой контакт коммутационные пластины 2, и системы, рассеивающей тепло с керамической пластины 6, и соответственно коммутационных пластин 1, между коммутационными пластинами 1 и 2 устанавливается некоторая разность температур. При наличии такой разности температур между коммутационными пластинами 1 и 2, осуществляющими контакт ветвей р- и n-типов 3 и 4, между крайними коммутационными пластинами ТЭБ возникает разность потенциалов - термоЭДС, обусловленная эффектом Зеебека. При замыкании контактных крайних коммутационных пластин ТЭБ на определенную электрическую нагрузку в образовавшейся цепи возникает постоянный электрический ток. Величина протекающего в цепи электрического тока зависит от значения термоЭДС, которая в свою очередь зависит от коэффициента термоЭДС термоэлектрического материала, числа термоэлементов в ТЭБ, разности температур между коммутационными пластинами 1 и 2 и величины электрической нагрузки.

В данной конструкции ТЭБ эффективность теплоотдачи коммутационных пластин повышается за счет увеличения их теплоотдающей поверхности.

Источник информации

1. Поздняков Б.С., Коптелов Е.А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974.

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей. Технический результат: повышение эффективности теплоотдачи коммутационных пластин ТЭБ к объекту охлаждения и системе теплоотвода. Сущность: ветви термоэлементов установлены наклонно в одной из координатных плоскостей. Ветви, выполненные из полупроводника р-типа, расположены под углом, противоположным углу наклона ветвей, выполненных из полупроводника n-типа. Угол наклона α между ветвями лежит в пределах Коммутационные пластины, выполненные в форме трехгранной призмы, впаиваются в пространство, ограниченное концами ветвей р- и n-типов и имеют хороший тепловой контакт своей третьей свободной гранью с высокотеплопроводными керамическими пластинами. 1 ил.

Термоэлектрическая батарея, состоящая из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р- и n-типов, отличающаяся тем, что ветви установлены наклонно в одной из координатных плоскостей, причем ветви, выполненные из полупроводника р-типа, расположены под углом, противоположным углу наклона ветвей, выполненных из полупроводника n-типа, а угол наклона между ветвями α лежит в пределах при этом коммутационные пластины, выполненные в форме трехгранной призмы, впаиваются в пространство, ограниченное концами ветвей р-типа и n-типов и имеют хороший тепловой контакт своей третьей свободной гранью с высокотеплопроводными керамическими пластинами, пространство же, ограниченное керамическими пластинами и поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, заполнено теплоизоляцией, причем слой теплоизоляции нанесен также на оставшуюся поверхность термоэлектрической батареи.