ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2014 года по МПК H01L35/28 

Прототипом изобретения является ТЭБ, описанная в [1]. ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р- и n-типов. 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 $$\frac{\pi }{18}\le \alpha <\pi .$$ 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, ограниченное керамическими пластинами и поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, заполнено теплоизоляцией, причем слой теплоизоляции нанесен также на оставшуюся поверхность термоэлектрической батареи.

Недостатком известной конструкции является недостаточно эффективный съем теплоты с коммутационных пластин.

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

Для достижения указанной цели коммутационные пластины в своей центральной части имеют взаимно параллельные сквозные отверстия, внутренняя поверхность которых выполнена в форме шестнадцатиконечной звезды, имеющие хороший тепловой контакт с теплоносителем, при этом отверстия всех четных коммутационных пластин и соответственно отверстия всех нечетных коммутационных пластин посредством диэлектрических гибких шлангов соединяются в единые каналы, по которым в процессе функционирования термоэлектрической батареи прокачивается теплоноситель, а каркас, образованный ветвями термоэлектрической батареи и коммутационными пластинами, заполнен теплоизоляцией.

Конструкция ТЭБ приведена на фиг.1. 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 а лежит в пределах $$\frac{\pi }{18}\le \alpha <\pi .$$

Коммутационные пластины 1 и 2 выполнены в форме трехгранной призмы, которые имеют в своей центральной части взаимно параллельные сквозные отверстия, внутренняя поверхность которых выполнена в форме шестнадцатиконечной звезды, имеющие хороший тепловой контакт с теплоносителем 5, 6. При этом отверстия всех четных коммутационных пластин 2 и соответственно отверстия всех нечетных коммутационных пластин 1 посредством диэлектрических гибких шлангов 7, 8 соединяются в единые каналы, по которым в процессе функционирования ТЭБ прокачивается теплоноситель 5, 6. Каркас, образованный ветвями термоэлектрической батареи 3, 4 и коммутационными пластинами 1, 3, заполнен теплоизоляцией 9.

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 фиг.1 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 протекающего теплоносителя 6, с которым контактируют коммутационные пластины 1, поддерживается на постоянном уровне, то температура протекающего теплоносителя 5, находящегося в тепловом контакте с коммутационными пластинами 2, понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры протекающего теплоносителя 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 9 служит для уменьшения теплопритока из окружающей среды.

ТЭБ в режиме термоэлектрического генератора функционирует следующим образом. При наличии источника тепла, нагревающего, например, протекающий теплоноситель 5, а также имеющие с ним непосредственный тепловой контакт коммутационные пластины 2, и системы, рассеивающей тепло с протекающего теплоносителя 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 - термо-эдс, 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 термо-эдс, которая в свою очередь зависит от коэффициента термо-эдс 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.

Литература

1. Патент на изобретение РФ №2335036. Термоэлектрическая батарея / Исмаилов Т.А., Вердиев М.Г., Евдулов О.В., Евдулов Д.В., 2008, Б.И.

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ). Технический результат: повышение эффективности теплоотдачи коммутационных пластин ТЭБ. 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 между ветвями лежит в пределах Коммутационные пластины, выполненные в форме трехгранной призмы, впаиваются в пространство, ограниченное концами ветвей р- и n-типов, и имеют в своей центральной части взаимно параллельные сквозные отверстия, внутренняя поверхность которых выполнена в форме шестнадцатиконечной звезды. Отверстия всех четных коммутационных пластин и соответственно отверстия всех нечетных коммутационных пластин посредством диэлектрических гибких шлангов соединены в единые каналы, по которым в процессе функционирования термоэлектрической батареи прокачивается теплоноситель. 1 ил.

Термоэлектрическая батарея, состоящая из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводников р- и n-типов, установленных 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 $$\frac{\pi }{18}\le \alpha <\pi ,$$ при этом коммутационные пластины выполнены в форме трехгранной призмы, отличающаяся тем, что коммутационные пластины в своей центральной части имеют взаимно параллельные сквозные отверстия, внутренняя поверхность которых выполнена в форме шестнадцатиконечной звезды, имеющие хороший тепловой контакт с теплоносителем, при этом отверстия всех четных коммутационных пластин и соответственно отверстия всех нечетных коммутационных пластин посредством диэлектрических гибких шлангов соединяются в единые каналы, по которым в процессе функционирования термоэлектрической батареи прокачивается теплоноситель, каркас же, образованный ветвями термоэлектрической батареи и коммутационными пластинами, заполнен теплоизоляцией.