Способ термоэлектрического охлаждения Российский патент 2021 года по МПК F25B21/02 H01L35/02 

Действие термоэлектрических устройств охлаждения основано на эффекте Пельтье, открытом в 1834 году. Холод выделяется при протекании тока в определенном направлении через контакт двух разнородных материалов. Эффекту Пельтье сопутствуют два других термоэлектрических эффекта - Зеебека и Томсона, снижающих эффективность производства холода. Известно большое количество конструкций термоэлектрических генераторов холода, с присущими им всем одинаковыми признаками:

1. Наличие двух разнородных проводящих материалов, контактирующих непосредственно между собой или через металлическую пластину и образующих при этом области горячего и холодного спаев при протекании тока.

2. Последовательным соединением термоэлектрических элементов в электрическую цепь для получения большего количества холода. При этом элементы расположены параллельно по отношению к тепловому потоку.

Аналогом и прототипом предложенного автором технического решения выбран способ охлаждения в термоэлементе, приведенный в книге “Термоэлектрические охладители”. З.М. / Лукишкер, А.Л. Вайнер, М.Н. Сомкин, В.Ю. Водолагин. / Под ред. А.Л. Вайнера. - М. Радио и связь. 1983. - 176 с., стр. 21. Термоэлемент изображен на фиг. 1 и состоит из двух полупроводниковых стержней n- и p-типа, называемых ветвями. Одни торцы ветвей n- и p- типа соединяются между собой металлической коммутационной пластиной и образуют спай. К другим торцам ветвей n- и p-типа подсоединены металлические пластины так же образующие спаи.

Способ охлаждения заключается в том, что при подключении источника тока указанной полярности, по термоэлементу течет ток, электроны из коммутационной пластины на одном спае переходят в ветвь n-типа, а дырки в ветвь p-типа, при этом один из спаев охлаждается, противоположные спаи нагреваются.

Для снижения передачи тепла от горячих спаев по ветвям к холодному спаю обычно прибегают к принудительному охлаждению горячих спаев.

Для получения большого количества холода, термоэлементы набираются в батареи. При этом они обычно соединяются последовательно в электрическую цепь и параллельно по отношению к тепловому потоку.

Основным недостатком способа охлаждения прототипа является низкий коэффициент полезного действия (КПД), то есть низкая холодопроизводительность.

Дело в том, что материал, соединяющий холодный и горячий спаи термоэлектрического элемента должен обладать хорошей электропроводностью, но малой теплопроводностью. Во время работы термоэлектрического элемента на одном из спаев выделяется холод, а на другом спае выделяется тепло. Этот градиент температуры приводит к переносу тепла от горячего спая по ветвям к холодному спаю. Процесс выравнивания температуры в объеме термоэлемента идет непрерывно, при этом повышает температуру холодного спая и соответственно снижает эффективность генерации холода.

Этот недостаток обусловлен тем, что холодный и горячий спаи термоэлектрического элемента соединены материалом, требования к характеристикам которого, с точки зрения обеспечения высокой холодопроизводительности, противоположны. С одной стороны он должен иметь высокую электропроводность, с другой стороны низкую теплопроводность. Но электроны, ответственные за электропроводность, также участвуют совместно с кристаллической решеткой и в процессе теплопроводности. Это противоречие, трудно разрешимое, не позволяет достичь высоких значений КПД термоэлектрического элемента.

Таким образом, недостатком способа охлаждения прототипа является низкий КПД.

Техническим эффектом изобретения является повышение КПД способа охлаждения в термоэлектрическом холодильнике.

Технический эффект достигается следующим образом:

Способ охлаждения в термоэлектрическом холодильнике, состоящем из полупроводниковых ветвей n- и p-типа, металлических пластин, обеспечивающих электрическое соединение торцов n- и p-типа ветвей, горячего и холодного спаев, образующихся при протекании тока, заключающийся в том, что металлические пластины у холодных спаев коммутируют с торцами ветвей до включения тока и размыкают после выключения тока, при этом амплитуду и длительность тока выбирают оптимальной.

На фиг. 2, 3 представлены рисунки термоэлектрического холодильника, реализующего предлагаемое техническое решение. Термоэлектрический холодильник состоит из металлических коммутационных пластин 1, 2, 7, 10, 13, металлических пленок 3, 4, 5, 6, полупроводниковых ветвей n-типа 8, 11, полупроводниковых ветвей p-типа 9, 12. На фиг. 2 металлические пластины 1, 2 находятся в состоянии разомкнуто с металлическими пленками 3, 4, 5, 6, а на фиг. 3 металлические пластины 1, 2 коммутирует с металлическими пленками 3, 4, 5, 6 на полупроводниковых ветвях. Металлические пленки 3, 4, 5, 6 технологические, служат для придания твердости и износостойкости контактируемым поверхностям.

Способ охлаждения в термоэлектрическом холодильнике работает следующим образом.

1. В исходном состоянии, фиг. 2 металлические пластины 1, 2 не контактирует с металлическими пленками 3, 4, 5, 6. Электрическая цепь разомкнута, ток по термоэлементу не протекает.

2. Состояние, изображенное на фиг. 3. Металлические пластины 1, 2 коммутируют с ветвями 8, 9, 11, 12 через металлические пленки 3, 4, 5, 6. Электрическая цепь замкнута. К металлическим пластинам 7 и 13 подключен источник тока, по замкнутой цепи протекает ток указанной направленности. Амплитуда и длительность тока выбираются оптимальными исходя из размеров конструкции, результатов эксперимента, с целью достижения максимальной холодопроизводительности или экономичности режима работы. В результате верхний спай и, следовательно, пластины 1, 2 охлаждаются, пластины 7, 10, 13 нагреваются.

3. На пластинах возникает градиент температуры. Холод из пластин 1, 2 начинает двигаться (условно можно так назвать) через ветви 8, 9, 11, 12 в сторону пластин 7, 10, 13, а тепло двигаться (диффундировать) из пластин 7, 10, 13 в сторону пластин 1, 2.

4. В какой-то момент времени, определяемый экспериментально, ток отключается, затем размыкаются контакты между пластинами 1, 2 и ветвями 8, 9, 11, 12, фиг. 2. Путь для движения тепла (и холода) прерывается, так как теплопроводность воздуха (или вакуума, в зависимости от реализованной конструкции коммутации пластин) во много раз меньше, чем металла, полупроводника. Температура горячего спая снижается за счет естественного рассеивания тепла (или принудительного охлаждения в случае необходимости).

Реализация устройства коммутации пластин может быть осуществлена самыми разнообразными способами, например, вакуумными магнитоуправляемыми реле. Это определяется в большей степени конструкцией термоэлектрического холодильника, его предназначением.

Оптимальные значения амплитуды и длительности тока определяются экспериментально, зависят от конструктивных особенностей, а также от поставленных перед устройством охлаждения задач. Это может быть режим максимальной холодопроизводительности, экономичности или надежности. Оптимальные значения амплитуды и длительности тока будут при этом отличаться от оптимальных значений для прототипа и аналогов.

Преимущество заявленного способа охлаждения от прототипа обеспечивается:

1. Металлические пластины у холодных спаев коммутируют с торцами ветвей до или одновременно с включением тока и размыкают одновременно или после выключения тока. Это приводит к резкому снижению теплопроводности канала. Известно (Булат Л.П., Бузин Е.В. Термоэлектрические охлаждающие устройства: Метод. указания для студентов спец. 070200 “Техника и физика низких температур”. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. - 41 с. стр. 13), что материалы для термоэлектрических преобразователей характеризуются добротностью полупроводникового вещества:

где Z - добротность, σ - электропроводность, α - коэффициент термоЭДС, k - теплопроводность.

Чем выше добротность материала Z, тем выше его эффективность, больше максимальное снижение температуры на спаях. Холодильный коэффициент стремится к своему максимальному значению, при добротности, стремящейся к бесконечности. В предложенном техническом решении размыкание пластин от ветвей приводит к резкому снижению теплопроводности.

2. Значительным сокращением расхода дорогостоящего полупроводникового материала для изготовления ветвей.

В промышленно выпускаемых термоэлектрических модулях высота ветвей составляет в среднем 2 мм. В предложенном техническом решении полупроводниковые ветви могут быть изготовлены очень малых размеров, достаточно нескольких сотен микрометров, что равносильно сокращению расходов дорогостоящего материала более чем в 2 раза. Это приведет к существенному снижению себестоимости изделия.

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к термоэлектрическим способам преобразования электрической энергии в холод. Термоэлектрический холодильник состоит из полупроводниковых ветвей n- и p- типа, металлических пластин, обеспечивающих соединение торцов ветвей, горячего и холодного спаев, образующихся при протекании тока. Металлические пластины у холодных спаев коммутируют с торцами ветвей до включения тока и размыкают после выключения тока, при этом амплитуду и длительность тока выбирают оптимальной. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия термоэлектрического охлаждения. 3 ил.

Способ охлаждения в термоэлектрическом холодильнике, состоящем из полупроводниковых ветвей n- и p-типа, металлических пластин, обеспечивающих соединение торцов ветвей, горячего и холодного спаев, образующихся при протекании тока, отличающийся тем, что металлические пластины у холодных спаев коммутируют с торцами ветвей до включения тока и размыкают после выключения тока, при этом амплитуду и длительность тока выбирают оптимальной.