Низковольтная термоэлектрическая батарея Советский патент 1984 года по МПК H01L35/32 

Изобретение otHocHTCH к термоэлектричеству, а более конкретно к конструкции термоэлектрических батарей, предназначенных для генерации напряжения, получения термоэлектрического охлаждения и термоэлектрического подогрева, а также для устройств измерительной техники.

Известны термоэлектрические батареи с параллельным и параллельно-последовательным соединением термоэлементов с целью повышения надежности 1.

Недостатком таких конструкций является то, что при параллельном соединении термоэлементов необходимо иметь по меньшей мере 10-12 параллельных ветвей для того, чтобы отказ одной батареи снизил, например, обшую холодопроизводительность не более, чем на 7-10%. При параллельно-последовательном соединении термоэлементов усложняется технология сборки, увеличиваются габариты батареи и расход термоэлектрического материала. Кроме того, термобатареи, используемые в качестве резервируюш,их, также обладают низкой надежностью.

Известен термоэлемент, в ветвях которого помещается шунтируюший проводник. Он располагается в канале, проделанном в р- и п-ветвях 2.

Недостатками этой конструкции являются ее сложность, большая стоимость, недостаточная механическая прочность. Кроме того, при таком решении вопроса повышения надежности конструкция не поддается миниатюризации, так как ветви термоэлементов должны быть объемными (выполненными в виде, призм, цилиндров, дисков).

Наиболее близкой к изобретению является низковольтная термометрическая батарея, содержащая термоэлементы, состоящие из ветвей п- и р-типа проводимости, резервирующие элементы, включенные параллельно ветвям. Резервирование осуществляется диодами 3.

Недостатками данной термобатареи являются низкая надежность, большая стоимость, значительные габариты и вес. Даже при минимальной стоимости диодов, используемых для параллельного подсоединения к термоэлементам (ветвям), стоимость термобатареи, включающей порядка 500 термоэлементов, приближается к стоимости диодов, шунтирующих термоэлементы батареи. Если же учесть, что для высоконадежной термобатареи нужны специальные диоды, стоимость которых значительно выше, то резервирование термобатареи диодами невыгодно с экономической точки зрения. К тому же значительно возврастают габариты термобатареи, так как размеры диодов зачастую превышают по размерам и весу ветви термоэлементов.

При шунтировании термоэлементов диодами сушественную роль играет величина напряжения, при котором они работают. В случае напряжений много больших 0,1-0,2

В такое шунтирование оправдано и дает хорошие результаты вследствие малого сопротивления диода в проходном направлении и большого в обратном. Но при напряжениях порядка 0,05 В (т.е. диоды работают на участке кривой вольт-амперной характеристики близко расположенном к ОВ) нельзя признать шунтирование термоэле- . ментов диодами лучшим из возможных вариантов. Уже в области напряжений -0,1В и 0,1 В диоды теряют свои достоинства. А это значит, что при выходе из строя термоэлемента потери на диоде, резервирующем термоэлемент (энергетические потери), весьма значительны по сравнению с ЭДС, вырабатываемой термоэлементом.

Кроме того, монтаж термобатареи с подсоединением диодов сложен, поэтому надо опасаться перегрева диодов. Диоды используются в сравнительно узком температурном диапазоне. Так, диоды нельзя использовать при температурах выще 130°С, так как они выйдут из строя.

Целью изобретения является увеличение надежности работы в температурном диапазоне 150-300°С при одновременном снижении стоимости термоэлектрической бата5 реи.

Указанная цель достигается тем, что в низковольтной термоэлектрической батарее, содержащей термоэлементы, состоящие из ветвей п- и р-типа проводимости, и резервирующие элементы, включенные па0 раллельно ветвям, резервирующие элементы вьшолнень в виде резервирующих сопротивлений.

Величина резервирующего сопротивления в 5-10 раз больше внутреннего сопротивления ветви термоэлемента.

Резервирующее сопротивление выполнено из нихромовой проволоки диаметром 0,01-0,03 мм.

На фиг. 1 показана электрическая схема термоэлектрической батареи; на фиг. 2 зависимость рабочего тока от щунтирующего сопротивления .1н Рчи для термоге, нератора; на фиг. 3 - зависимость рабочего напряжения от шунтирующего сопротивления ин Рчш для термогенератора.

5 Термоэлектрическая сатарея содержит ряд последовательно включенных термоэлементов 1, каждый из которых состоит из двух ветвей 2 и 3 с разным типом проводимости (фиг. 1). Ветви термоэлементов в местах их соединения образуют два ряда

0 спаев 4 и 5. К ветвям термоэлемента параллельно подсоединены резервирующие сопротивления 6. Резервирующее сопротивление выбирается в 5-10 раз больще внутреннего сопротивления каждой из ветвей термоэлементов термоэлектрической батареи и вы5 полняется из нихромовой проволоки диаметром 0,01-0,03 мм.

Работа предлагаемой термобатареи аналогична работе известных батарей.

Отличие состоит в том, что сопротивление 6 шунтируют ветви термоэлементов батарей. Поэтому разрушение одной из вет вей термоэлементов батареи не приводит к разрыву электрической цепи, поскольку ток термобатареи протекает через сопротивление, подсоединенное к отказавшей ветви термоэлемента. При этом общее сопротивление термобатареи, а значит и параметры ее меняются незначительно, так как сопротивление шунта очень мало по сравнению с общим сопротивлением термобатареи. (1-P)(1-P)

Поскольку резервирующее сопротивление выбрано больше, чем сопротивление каждой и.з ветвей термоэлементов батареи, при большом числе термоэлементов потери энергии в сопротивлениях тем меньше, чем больше число термоэлементов батареи. Это позволяет свести потери энергии в сопротивлениях до нескольких процентов при числе термоэлементов 100 и более. Для термоэлектрического охладителя, состоящего из такого же количества полуэлементов, при К (предельном перепаде, достигаемом термоэлектрическим охлаждением) тепловой поток с горячих спаев на холодные за счет теплопроводности резервирующего сопротивления составляет не более 0,25 Вт, что снижает холодопроизводительность термоэлектрического охладителя на 3-5%. Так как внутреннее сопротивление ветви термоэлемента обычно не большое (порядка 0,3-0,50м), то резервирующая проволока длиной в несколько миллиметров обеспечивает многократное ,(5-10 раз) шунтирование ветви термоэлемента по сопротивлению. При выходе иё строя ветви термоэлемента общее сопротивление термобатареи, включающей большое количество термоэлементов (500 и более), меняется незначительно и электрические параметры также меняются незначительно.

Изготавливается и испытывается опытный образец термобатареи, ветви термоэлементов которой сечением 0,3x0,35 мм резервируются нихромовой проволокой диаметром 0,03 мм. Термоэлектрический генератор, собранный из таких термобатарей, состоит из 350 термоэлементов, включенных последовательно, и работает при 4Т 250 К. Сопротивление ветви термоэлемента составляет порядка 0,4 Ом. Тепловые потери через резервирующие сопротивления не превышают 0,4-0,5 Вт, что составляет не более 0,4±1% при мощности источника тепла в генераторе 50-100 Вт. В цепь генератора включается нагрузка с сопротивлением 450 Ом. 5 Термогенератор обеспечивает при этой нагрузке выходное напряжение 12,3 В даже после многократных циклических испытаний, что свидетельствует о нормальной работе всех термоэлементов. Для этОго термогенератора подсчитаны ток JH на нагруз0 ке 360 Ом и выходное напряжение UH на ней при условии выхода из строя определенного количества ветвей термоэлементов и определены зависимости их от разных значений щунтирующего сопротивления (фиг. 2 и 3), При этом кривая 7 соответствует зависимости рабочего тока от шунтирующего сопротивления; без отказов ветвей термоэлементов генератора; кривая 8 - то же, с отказом одной ветви термоэлемента генератора; кривая 9 - то же, с от0 казом двух ветвей термоэлемента генератора; кривая Гб - то же, с отказом трех ветвей термоэлементов генератора; кривая 11 - то же, с отказом десяти ветвей термоэлементов генератора; кривая 12 - то же, с отказом двадцати ветвей термоэлемен-.

5 тов генератора; кривая 13 то же, с отказом пятидесяти ветвей термоэлементов генератора.

Как видно из фиг. 2 и 3, даже при выходе из строя пятидесяти ветвей термоэле0 ментов генератор мог бы обеспечить на выходе напряжение порядка 10,25 В при токе 28 мА. При этом оптимальное значение сопротивления резервирующего ветви термоэлемента находится в пределах 1,5-2,0 Ом. Сопротивления имеют большую механи5 ческую прочность, выдерживают перегревы значительно более высокие, чем диоды, и облада ют при этом интенсивностью отказов по крайней мере в 5-10 раз лучшей, чем диоды, и в 10-100 раз лучшей, чем термоэлементы.

Если сравнивать стоимость диодов, необходимых для поэлементного щунтирования термобатарей, то при минимально допустимой стоимости существующих диодов только последние стоят порядка в 2-10 раз дороже, чем резервирующая сопротивления, что при серийном выпуске термобатарей весьма существенно.

J5Гш(Ом

1. НИЗКОВОЛЬТНАЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ, содержащая термоэлементы, состоящие из ветвей п- и р-типа проводимости, резервирующие. элементы, включенные параллельно ветвям, отличающаяся тем, что, с целью увеличения надежности работы в температурном диапазоне 150-300°С, резервирующие элементы выполнены в виде резервирующих сопротивлений. 2.Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что, величина резервирующего сопротивления в 5-10 раз больще внутреннего сопротивления ветви термоэлемента. 3.Батарея по п. 2, отличающаяся тем, что резервирующее сопротивление выполнено из нихромовой проволоки. 8 S (Л 00 оо ю 43-4 .1