ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2016 года по МПК H01L35/32 

Изобретение относится к области термоэлектрического приборостроения и может быть использовано при изготовлении термоэлектрических устройств, основанных на эффекте Пельтье или Зеебека, прежде всего термоэлектрических генераторов электрической энергии, а также холодильных термоэлектрических устройств.

Проблема термоэлектричества сформулирована не только как проблема добротности термоэлектрического материала, но и рационального применения известных явлений для создания усовершенствованных, более эффективных термоэлементов [Анатычук Л.И. Термоэлектричество. Τ II. Термоэлектрические преобразователи энергии. Термоэлементы. Элементная база термоэлектричества. Киев, Черновцы. Институт термоэлектричества. 2002] с целью повышения КПД и эффективности термоэлектрических устройств.

Известно, что с ростом высоты термоэлемента электрическое сопротивление термобатареи увеличивается, поэтому мощность падает, но одновременно с этим растет перепад температуры на спаях термоэлемента, уменьшается плотность теплового потока по горячей стороне. Эти два фактора определяют рост КПД от высоты термоэлемента [Охотин А.С, Ефремов А.А., Охотин B.C., Пушкарский А.С. Термоэлектрические генераторы. Под ред. А.Р. Регеля. М. Атомиздат. 1976].

Вместе с тем требования к габаритным размерам термоэлектрических устройств не всегда позволяют решать вопрос повышения КПД путем увеличения высоты термоэлемета. В практике по разработке пленочных термоэлектрических преобразователей довольно часто используются форморазмерные факторы, в частности для повышения чувствительности лазерных преобразователей путем получения наклонноконденсированных пленок (Ухлинов Г.А., Косаковская З.Я., Вигдорович В.Н. Структура и термоэлектрические свойства косонапыленных пленок висмута // Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1986. Т. 22. №6. С. 938-941; Вигдорович В.Н., Ухлинов Г.А., Каримов Ф.Ч., Краснов Д.М. Природа анизотропного термоэлектрического эффекта в наклонноконденсированных пленках // Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1987. Т. 23).

Прототипом, наиболее близким по предлагаемому техническому решению, является патент №2396636 «Термоэлектрическая батарея» (ТЭБ) от 27.12.2007. Термоэлектрическая батарея состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника p- и n-типа.

Одной из отличительных особенностей заявленного технического решения является расположение ветвей наклонно в одной из координатных плоскостей и под углом друг к другу, противоположным наклону ветвей, чем достигается эффективность теплоотдачи ТЭБ в теплопередающей системе термоэлектрического устройства. Недостатком такого технического решения является значительное увеличение габаритных размеров термоэлектрического устройства.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение КПД термоэлектрической батареи за счет увеличения токовой высоты ветви термоэлемента при сохранении габаритных размеров путем создания искусственной анизотропии тепловой проводимости в ветвях термоэлемента.

Для этого предложена термоэлектрическая батарея, содержащая термоэлементы, ветви которых изготовлены из полупроводников p- и n-типа, разделенных электроизоляцией, и коммутационные пластины, при этом ветви термоэлементов выполнены под углом по отношению к теплопоглощающей и тепловыделяющей поверхностям термоэлемента, а токовую высоту ветви L_т выбирают в диапазоне

,

где

h - габаритная высота ветви термоэлемента, мм,

L_т - токовая высота ветви термоэлемента, мм,

δ - межэлементный зазор между ветвями p и n типов (электроизоляция), мм,

κ_мат - среднеинтегральная удельная теплопроводность материала термоэлемента,

λ_среды - удельная теплопроводность среды, заполняющей зазор δ между ветвями,

Кроме того:

- сечение ветви термоэлемента, параллельное токовым линиям, представляет собой параллелограмм с углом наклона α основания к теплопоглощающей стороне термоэлемента,

- сечение ветви термоэлемента, параллельное токовым линиям, представляет собой шеврон, параллельные или эквидистантные стороны которого примыкают к теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонам термоэлемента,

- сечение ветви термоэлемента, параллельное токовым линиям, представляет собой кольцевой сектор, тороидальные поверхности которого образуют боковые поверхности ветвей термоэлемента, а поверхности, примыкающие к теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонам термоэлемента, эквидистантны этим поверхностям,

- угол наклона ветви термоэлемента к теплопоглощающей стороне α должен быть равен или больше величины, определяемой из соотношения

Конфигурация сечения термоэлементов в термоэлектрической батарее, в которой может быть реализована искусственно созданная анизотропия тепловой проводимости, может быть выполнена в трех вариантах. На фигурах 1-3 показаны варианты выполнения, где позициями обозначены:

1 - ветвь термоэлемента p-типа,

2 - электроизоляция,

3 - ветвь термоэлемента N-типа,

4 - коммутационные пластины,

5 - тепловыделяющая (холодная) поверхность,

6 - теплопоглощающая (горячая) поверхность,

Предложено три варианта термоэлементов термоэлектрической батареи:

1. Термоэлемент из наклонных ветвей - сечение ветви термоэлемента 1, 3, параллельное токовым линиям, представляет собой параллелограмм с углом наклона α основания к теплопоглощающей стороне термоэлемента 6, представлен на фиг. 1.

2. Термоэлемент из ветвей шевронного исполнения - сечение ветви термоэлемента 1, 3, параллельное токовым линиям, представляет собой шеврон, параллельные или эквидистантные стороны которого примыкают к теплопоглощающей 6 и тепловыделяющей 5 поверхностям, представлен на фиг. 2.

3. Термоэлемент из ветвей с торовыми боковыми поверхностями - сечение ветви термоэлемента 1, 3, параллельное токовым линиям, представляет собой кольцевой сектор, тороидальные поверхности которого образуют боковые поверхности ветвей термоэлемента, а поверхности, примыкающие к теплопоглощающей 6 и тепловыделяющей 5 поверхностям, эквидистантны этим поверхностям,

Для всех вариантов термоэлектрических батарей:

- угол наклона ветви термоэлемента α к теплопоглощающей стороне 6 должен быть равен или больше величины, определяемой из соотношения

В заявляемом техническом решении ветви термоэлемента 1, 3 выполняются такой конфигурации по сечению, параллельному токовым линиям, чтобы их токовая высота была больше, чем габаритные размеры термобатареи по высоте, определенные из условия получения максимальной мощности в зависимости от соотношения термического сопротивления ветви к сумме термических сопротивлений со стороны теплопоглощающей 6 и тепловыделяющей 5 поверхностей [Охотин А.С., Ефремов А.А., Охотин B.C., Пушкарский А.С. Термоэлектрические генераторы. Под ред. А.Р. Регеля. М. Атомиздат. 1976]. То есть термическое сопротивление термоэлектрического материала в направлении токовой высоты

должно быть меньше, чем в направлении, перпендикулярном поверхности теплоподвода и теплоотвода .

Ориентировочно токовая высота ветви должна выбираться из соотношения:

.

Термоэлектрические батареи с искусственной созданной анизотропией тепловой проводимости в ветвях термоэлемента 1, 3 могут быть изготовлены как для термогенераторов панельной конструкции, когда термоэлектрические батареи размещаются между двумя параллельными поверхностями источника теплоты и холодильника, так и для термогенератора радиально-трубчатой конструкции, в котором термоэлектрические батареи размещаются между двумя коаксиальными трубами, зазор между которыми (электроизоляция 2) ограничивает токовую высоту ветви L_т, или для термогенератора шаровой конструкции.

Термоэлектрические батареи с термоэлементами из наклонных ветвей, сечение которых в плоскости, параллельной токовым линиям, представляет собой параллелограмм с высотой h, определяющей габаритные размеры по высоте, а длина боковых сторон параллелограмма определяет токовую высоту ветви. Соотношения габаритной высоты термоэлемента h и длины боковой стороны L_т связаны между собой

,

где

,

где α есть угол наклона боковых сторон параллелограмма к теплопоглощающей 6 и тепловыделяющей 5 поверхностям [Охотин А.С., Ефремов А.А., Охотин B.C., Пушкарский А.С. Термоэлектрические генераторы. Под ред. А.Р. Регеля. М. Атомиздат. 1976]. Значения параметров, входящие в формулу определения угла наклона α, определяются из задаваемых конструктивных размеров термоэлектрического модуля, так же как известны теплофизические свойства используемого термоэлектрического материала, и среды, заполняющей полость размещения термобатарей (электроизоляции 2). Предельный угол наклона определяется из величины sin(α).

Аналогичные соотношения геометрических параметров в профиле сечения ветви 1, 3 сохраняются в радиально-трубчатом или шаровом (торовом) исполнении термогенераторов.

Пример расчета термоэлектрической батареи с термоэлементами из наклонных ветвей:

Если принять h=6,0 мм, δ=0,3 мм, теплопроводность термоэлектрического материала ветвей и теплопроводность электроизоляции $${\lambda }_{среды}=0.152\frac{Вт}{м\cdot К}$$ , то значение sin(α)=0,648. Т.е. угол наклона ветви должен быть больше или равен 40º и зависит от среднеинтегрального значения теплопроводности термоэлектрического материала. При этих значениях токовая высота ветви составит 9,25 мм. Тогда термическое сопротивление тепловому потоку по направлению токовой высоты составит Термическое сопротивление в направлении, перпендикулярном тепловыделяющей поверхности, равно Из этого следует, что, если принять угол наклона больше 40º, то термическое сопротивление ветвей будет меньше чем и тепловой поток будет перетекать по термоэлектрическому материалу ветвей, что приведет к возрастанию перепада температуры на термоэлементе (в соответствии с электротепловой аналогией при параллельном включении в цепь электрических сопротивлений разной величины. http;//oktpres.narod.ru/olderfiles/1/Tema_6_Osn…).

При работе термоэлектрической батареи в режиме постоянства плотности теплового потока и постоянной температуры холодного спая у наклонных ветвей возрастание КПД будет приблизительно пропорционально ~1/sin²α по сравнению с прямой ветвью в заданных габаритах по высоте.

Реализовать конструкцию термоэлемента возможно, используя существующие технологии изготовления объемных ветвей термоэлементов. Так, ветви термоэлементов из низкотемпературных сплавов на основе теллурида висмута Могут быть изготовлены методом горячего прессования по традиционной технологии, принятой для переработки этого материла. Формообразующие боковые поверхности ветвей получают при прессовании между пуансонами необходимого профиля. Ветви термоэлементов из среднетемпературных материалов на основе теллурида свинца и германия можно получать из горячеспрессованных шайб электроэрозионной резкой.

Эффект предлагаемого способа использования искусственной анизотропии в термоэлементе был проверен при сравнительных испытаниях двух термобатарей с одинаковыми габаритными размерами, но разными токовыми высотами (прямой и наклонной).

Результаты испытаний изготовленных в двух исполнениях радиально-кольцевых термоэлектрических батарей, термоэлементы которых изготовлены из материалов на основе теллурида висмута, в режиме постоянства плотности теплового потока и постоянной температуры холодного спая приведены в таблице.

Термоэлектрическая батарея с прямыми ветвями (α=90º) представляет собой классическое исполнение с токовой высотой L_т, равной габаритной высоте термоэлемента h.

Термоэлектрическая батарея с термоэлементами из наклонных ветвей батареи с α=56º представляет собой термоэлектрическую батарею с искусственной созданной анизотропией тепловой проводимости в ветвях термоэлемента.

ΔΤ - перепад на термоэлементе.

R - внутреннее сопротивление термоэлектрической батареи, Ом

U_xx - ЭДС термоэлектрической батареи, В.

U_p - напряжение в рабочей точке термоэлектрической батареи, В.

I_p - ток в рабочей точке, А.

W - электрическая мощность термоэлектрической батареи в рабочей точке, Вт.

КПД - коэффициент полезного действия термоэлектрической батареи в рабочей точке.

Искусственно созданная анизотропия тепловой проводимости обеспечивает увеличение токовой высоты и термическое сопротивление ветвей термоэлемента в ограниченном объеме по высоте, благодаря чему удается увеличить перепад температуры на спаях при сохраняющейся плотности теплового потока. Следствием увеличения перепада температуры на спаях термоэлемента является возрастание КПД преобразования тепловой энергии в термоэлектрических устройствах.

Таким образом, в режиме постоянства плотности теплового потока при одинаковой габаритной высоте ветви термоэлектрическая батарея с термоэлементами из наклонных ветвей батареи (термоэлектрическая батарея с искусственной созданной анизотропией тепловой проводимости в ветвях термоэлемента) позволяет получить большую электрическую мощность и КПД, чем термоэлектрическая батарея с прямыми ветвями.

Изобретение относится к области термоэлектрического приборостроения и может быть использовано при изготовлении термоэлектрических устройств, основанных на эффекте Пельтье или Зеебека, прежде всего термоэлектрических генераторов электрической энергии, а также холодильных термоэлектрических устройств. В термоэлементе термоэлектрической батареи искусственно создается анизотропия тепловой проводимости, обеспечивающая увеличение токовой высоты и термического сопротивления ветвей термоэлемента в ограниченном объеме по высоте, благодаря чему удается увеличить перепад температуры на спаях при сохраняющейся плотности теплового потока, за счет этого увеличивается КПД преобразования тепловой энергии в термоэлектрическом устройстве. Для достижения этого результата предложена термоэлектрическая батарея, содержащая термоэлементы, ветви которых изготовлены из полупроводников p- и n-типа, разделенных электроизоляцией, и коммутационные пластины, при этом ветви термоэлементов выполнены под углом по отношению к теплопоглощающей и тепловыделяющей поверхностям термоэлемента, а токовую высоту ветви L_т выбирают в диапазоне

где

h - габаритная высота ветви термоэлемента, мм,

L_т - токовая высота ветви термоэлемента, мм,

δ - межэлементный зазор между ветвями p и n типов (электроизоляция), мм,

κ_мат - среднеинтегральная удельная теплопроводность материала термоэлемента,

λ - среды - удельная теплопроводность среды, заполняющей зазор δ между ветвями,

При этом сечение ветви термоэлемента, параллельное токовым линиям, представляет собой параллелограмм с углом наклона α основания к теплопоглощающей стороне термоэлемента, или шеврон, параллельные или эквидистантные стороны которого примыкают к теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонам термоэлемента, или кольцевой сектор, тороидальные поверхности которого образуют боковые поверхности ветвей термоэлемента, а поверхности, примыкающие к теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонам термоэлемента, эквидистантны этим поверхностям. Угол наклона ветви термоэлемента к теплопоглощающей стороне α должен быть равен или больше величины, определяемой из соотношения

. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрическая батарея, содержащая термоэлементы, ветви которых изготовлены из полупроводников p- и n-типа, разделенных электроизоляцией, и коммутационные пластины, при этом ветви термоэлементов выполнены под углом по отношению к теплопоглощающей и тепловыделяющей поверхностям термоэлемента, а токовую высоту ветви L_T выбирают в диапазоне

где
h - габаритная высота ветви термоэлемента, мм,
L_T - токовая высота ветви термоэлемента, мм,
δ - межэлементный зазор между ветвями p и n типов (электроизоляция), мм,
κ_мат - среднеинтегральная удельная теплопроводность материала термоэлемента, $$\frac{Bт}{м\cdot К}$$ .
λ_среды - удельная теплопроводность среды, заполняющей зазор δ между ветвями, $$\frac{Bт}{м\cdot К}$$ .

2. Термоэлектрическая батарея по п. 1, отличающаяся тем, что сечение ветви термоэлемента, параллельное токовым линиям, представляет собой параллелограмм с углом наклона α основания к теплопоглощающей стороне термоэлемента.

3. Термоэлектрическая батарея по п. 1, отличающаяся тем, что сечение ветви термоэлемента, параллельное токовым линиям, представляет собой шеврон, параллельные или эквидистантные стороны которого примыкают к теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонам термоэлемента.

4. Термоэлектрическая батарея по п. 1, отличающаяся тем, что сечение ветви термоэлемента, параллельное токовым линиям, представляет собой кольцевой сектор, тороидальные поверхности которого образуют боковые поверхности ветвей термоэлемента, а поверхности, примыкающие к теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонам термоэлемента, эквидистантны этим поверхностям.

5. Термобатарея по п. 1, отличающаяся тем, что угол наклона ветви термоэлемента к теплопоглощающей стороне α должен быть равен или больше величины, определяемой из соотношения