ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2282273

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ

Имя изобретателя: Исмаилов Тагир Абдурашидович (RU); Вердиев Микаил Гаджимагомедович (RU); Евдулов Олег Викторович (RU) 
Имя патентообладателя: Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ) (RU)
Адрес для переписки: 367015, г.Махачкала, пр. имама Шамиля, 70, ДГТУ, отдел интеллектуальной собственности
Дата начала действия патента: 2004.06.18 

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

Технический результат: повышение эффективности и надежности, а также упрощение технологии изготовления каскадной ТЭБ. Сущность: ТЭБ содержит N каскадов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р-типа и n-типа. Электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с противоположной. Коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их части выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ. Части коммутационных пластин, образующих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а части коммутационных пластин, образующих горячие контакты, - за другую. Электрический контакт между каскадами осуществляется через крайние холодные коммутационные пластины предыдущего каскада, одновременно являющиеся горячими коммутационными пластинами последующего каскада. Тепловой контакт отдельных каскадов осуществляется посредством сопряжения коммутационных пластин последующего каскада с коммутационными пластинами предыдущего каскада через высокотеплопроводную диэлектрическую прослойку. С горячих коммутационных пластин первого каскада производится съем тепла в окружающую среду. Холодные коммутационные пластины N-го каскада сопрягаются с объектом охлаждения.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

Известна ТЭБ, описанная в [1]. ТЭБ содержит несколько (N) каскадов, состоящих из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов (ТЭ), каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводников соответственно р- и n-типа. Ветви ТЭ соединяются между собой посредством коммутационных пластин. Электрически последовательно соединенные коммутационными пластинами ТЭ, образующие ТЭБ, заключены между двумя высокотеплопроводными электроизоляционными пластинами - теплопереходами (обычно керамическими).

ТЭБ собрана таким образом, что горячие спаи N-го каскада ТЭ опираются на холодные спаи (N-1)-го каскада ТЭ. Горячие спаи (N-1)-го каскада ТЭ опираются на холодные спаи (N-2)-го каскада ТЭ и т.д. Горячие спаи первого каскада ТЭ приводятся в тепловой контакт с теплообменным устройством, а холодные спаи N-го каскада ТЭ сопрягаются с объектом охлаждения. При такой конструкции холодные спаи (1-го) каскада ТЭ снимают тепло с горячих спаев второго каскада, холодные спаи второго каскада ТЭ охлаждают горячие спаи третьего и т.д., а холодные спаи N-го каскада ТЭ охлаждают объект воздействия.

Недостатками известной конструкции являются недостаточная надежность работы каскадной ТЭБ, рассчитанной на большие токи питания, из-за значительных механических напряжений вследствие биметаллического эффекта; сложность ее технологической реализации; наличие значительных контактных электрических и тепловых сопротивлений.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание термоэлектрической батареи, лишенной указанных недостатков.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности и надежности, а также упрощение технологии изготовления ТЭБ.

Решение поставленной задачи с достижением указанного технического результата обеспечивается тем, что в термоэлектрической батарее, состоящей из N каскадов термоэлементов, образованных последовательно соединенными в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующимися ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, при этом термоэлектрическая батарея собрана таким образом, что горячие контакты последующего каскада приводятся в тепловой контакт с холодными контактами предыдущего, где холодные контакты последнего (N-го) каскада сопряжены с объектом охлаждения, а горячие контакты первого каскада - с теплообменным устройством, в каскадах электрическое соединение ветвей р- и n-типа осуществляется посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с противоположной, причем коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их части выступают за поверхность структуры, образованной ветвями р- и n-типа, причем части коммутационных пластин, образующих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а части коммутационных пластин, образующих горячие контакты, - за другую, при этом тепловой контакт каскадов осуществляется за счет сопряжения коммутационных пластин, образующих горячие контакты, последующего каскада с коммутационными пластинами, образующими холодные контакты, предыдущего каскада через высокотеплопроводную диэлектрическую прослойку, за исключением крайних для каждого каскада коммутационных пластин, которые одновременно являются холодными контактами предыдущего каскада и горячими контактами последующего каскада, осуществляя их электрическое соединение.

Изобретение поясняется чертежом, где схематически изображена термоэлектрическая батарея.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ. Патент Российской Федерации RU2282273

ТЭБ содержит несколько (N) каскадов, каждый из которых 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 - ветвь n-типа 4, где ветвь р-типа 3 контактирует торцевой поверхностью к одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа 4 - к противоположной, при этом ветви р- и n-типа расположены в одной перпендикулярной к коммутационной пластине плоскости. Коммутационные пластины 1 и 2 имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа 3 и 4, вследствие чего их части выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ. При этом части коммутационных пластин 2, осуществляющих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а части коммутационных пластин 1, осуществляющих горячие контакты, - за другую (другие).

Электрический контакт между каскадами осуществляется через крайние коммутационные пластины 2 предыдущего каскада, одновременно являющиеся коммутационными пластинами 1 последующего каскада.

Тепловой контакт отдельных каскадов осуществляется посредством сопряжения коммутационных пластин 1 последующего каскада с коммутационными пластинами 2 предыдущего каскада через высокотеплопроводную диэлектрическую прослойку 5. При этом коммутационные пластины 1 N-го каскада сопрягаются с коммутационными пластинами 2 (N-1)-го каскада. Коммутационные пластины 1 (N-1)-го каскада сопрягаются с коммутационными пластинами 2 (N-2)-го каскада и т.д. С коммутационных пластин 1 первого каскада ТЭБ производится съем тепла в окружающую среду за счет естественного, либо принудительного теплообмена. Коммутационные пластины 2 N-го каскада сопрягаются тем или иным образом с объектом охлаждения.

ТЭБ РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

При прохождении через ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии, между коммутационными пластинами 1 и 2 каждого каскада, представляющими собой контакты ветвей р-и n-типа 3 и 4, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на чертеже полярности электрического тока происходит нагрев коммутационных пластин 1 и охлаждение коммутационных пластин 2. Для каскадной ТЭБ холодные коммутационные пластины 2 первого каскада в этом случае снимают тепло с горячих коммутационных пластин 1 второго каскада, холодные коммутационные пластины 2 второго каскада охлаждают горячие коммутационные пластины 1 третьего каскада и т.д., а холодные коммутационные пластины 2 N-го каскада понижают температуру объекта воздействия. При этом тепло с горячих коммутационных пластин 1 первого каскада рассеивается в окружающую среду за счет естественного, либо принудительного теплообмена.

Основными преимуществами заявляемой конструкции ТЭБ являются:

  1. Возможность сборки припоем одной температуры плавления, а не «ступенчатыми» припоями с различными температурами плавления и соответственно с различными теплофизическими и механическими свойствами.

  2. Упрощение технологии изготовления.

  3. Повышение надежности в работе за счет сведения к нулю биметаллических эффектов.

  4. Обеспечение возможности изготовления каскадов батарей более 3-5 без осложнения конструкции и технологии их изготовления.

  5. Возможность использования ветви различной длины, что дает возможность более точного согласования таких параметров, как оптимальный ток и перепад температур для каждой пары ветвей р- и n-типа, следствием чего является повышение энергетической эффективности ТЭБ.

  6. Уменьшение толщины коммутационных пластин, следствием чего является значительное уменьшение их электрических сопротивлений и теплоемкостей, что дает возможность достигнуть более низких температур, а также уменьшает длительность выхода ТЭБ на рабочий режим.

  7. Снижение материалоемкости - расхода материала полупроводников и коммутационных пластин.

ЛИТЕРАТУРА

Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Л.: Наука, 1967.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Термоэлектрическая батарея, состоящая из нескольких (N) каскадов термоэлементов, образованных последовательно соединенными в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующимися ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, при этом термоэлектрическая батарея собрана таким образом, что горячие контакты последующего каскада приводятся в тепловой контакт с холодными контактами предыдущего, где холодные контакты последнего (N-го) каскада сопряжены с объектом охлаждения, а горячие контакты первого каскада - с теплообменным устройством, отличающаяся тем, что в каскадах электрическое соединение ветвей р- и n-типа осуществляется посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с противоположной, причем коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их части выступают за поверхность структуры, образованной ветвями р- и n-типа, причем части коммутационных пластин, образующих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а части коммутационных пластин, образующих горячие контакты, - за другую, при этом тепловой контакт каскадов осуществляется за счет сопряжения коммутационных пластин, образующих горячие контакты, последующего каскада с коммутационными пластинами, образующими холодные контакты, предыдущего каскада через высокотеплопроводную диэлектрическую прослойку, за исключением крайних для каждого каскада коммутационных пластин, которые одновременно являются холодными контактами предыдущего каскада и горячими контактами последующего каскада, осуществляя их электрическое соединение.

Версия для печати
Дата публикации 02.12.2006гг


вверх