CZ273694A3 - Peltier effect employing cascade of thermo-electric cells - Google Patents

Peltier effect employing cascade of thermo-electric cells Download PDF

Info

Publication number
CZ273694A3
CZ273694A3 CZ942736A CZ273694A CZ273694A3 CZ 273694 A3 CZ273694 A3 CZ 273694A3 CZ 942736 A CZ942736 A CZ 942736A CZ 273694 A CZ273694 A CZ 273694A CZ 273694 A3 CZ273694 A3 CZ 273694A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
cascade
semiconductor elements
type
type semiconductor
layers
Prior art date
Application number
CZ942736A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ281281B6 (en
Inventor
Zdenek Ing Csc Stary
Original Assignee
Stary Zdenek
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stary Zdenek filed Critical Stary Zdenek
Priority to CZ942736A priority Critical patent/CZ281281B6/en
Priority to PCT/CZ1995/000025 priority patent/WO1996015412A2/en
Publication of CZ273694A3 publication Critical patent/CZ273694A3/en
Publication of CZ281281B6 publication Critical patent/CZ281281B6/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N19/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00
    • H10N19/101Multiple thermocouples connected in a cascade arrangement

Abstract

A cascade of thermoelectric couples utilizing Peltier effect, consisting of layers of semiconductor elements (1, 2) connected electrically in series and mutually connected with conductive members (3), comprising more than one layer of said P-type and N-type elements without inside insulating means between the layers, wherein the semiconductor elements of type P and of type N alternate regularly. Individual layers of the cascade may include P-type and N-type semiconductor elements of different specific electrical properties and/or dimensions.

Description

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká kaskády termoelektrických článků využívající Peltierův jev, využitelné v chladící, termoregulační a obdobné technice„The invention relates to a cascade of thermoelectric cells utilizing the Peltier effect useful in cooling, thermoregulation and similar techniques.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V současné době jsou používány termoelektrické články využívající Peltierův jev v chladicí technice, např. v příručních automobilových ledničkách pro chlazení potravin, ke stabilizaci teploty v mikroelektronice, ale je možno je využít i jako zdroje elektrického napětí např. pro pohon kardiostimulátorů, při antikorozní katodové ochraně ocelových konstrukcí, potrubí nebo kolejnic a podobně.At present, thermoelectric cells using Peltier effect in refrigeration technology, such as handheld car refrigerators for food refrigeration, are used to stabilize the temperature in microelectronics, but can also be used as a power source for driving pacemakers, anti-corrosion cathodic protection steel structures, pipes or rails and the like.

Základní prvek termoelektrického článku se skládá z polovodičového elementu typu P a druhého polovodičového elementu typu N pravidelného tvaru z vhodných polovodičových materiálů, kde horní konce obou elementů jsou spojeny vodivou propojkou. Na spodní konec polovodičového elementu typu P je vodivou propojkou přiveden elektrický proud, ten prochází elementem typu P, vodivou propojkou do elementu typu N a další vodivou propojkou je odveden.The base element of the thermocouple consists of a P-type semiconductor element and a regular-type second N-type semiconductor element of suitable semiconductor materials, where the upper ends of the two elements are connected by a conductive jumper. An electric current is applied to the lower end of the P-type semiconductor element, which passes through the P-type element, the conductive jumper to the N-type element, and the other conductive jumper.

Průchodem proudu dochází ke vzniku rozdílu teplot, který závisí na vlastnostech polovodičových materiálů, na rozměrech polovodičových elementů, na napětí a intenzitě elektrického proudu. Pro většinu praktických aplikací se tento základní článek opakuje v plošné termoelektrické baterii, kde jednotlivé polovodičové elementy typu P a typu N se pravidelně střídají a jsou elektricky zapojeny v sérii, zatímco tepelně naopak paralelně. Na jedné straně tepelné baterie tak vzniká chlad, na druhé teplo.Passing the current produces a temperature difference, which depends on the properties of the semiconductor materials, the dimensions of the semiconductor elements, the voltage and the intensity of the electric current. For most practical applications, this basic cell is repeated in a surface thermoelectric battery, where the individual P and N semiconductor elements alternate regularly and are electrically connected in series, while thermally parallel. On the one hand, the thermal battery generates cold, on the other hand heat.

V aplikacích s potřebou dosažení vyšších teplotních rozdílů se používá kaskády několika vrstev na sobě položených dříve popsaných plošných baterií, kde spodní teplá strana plošné baterie je ochlazována horní studenou stranou další plošné baterie. Jednotlivé plošné baterie jsou od sebe odděleny elektrickým izolantem, jako například destičkou z korundu, nebo speciálních keramických materiálů, aby bylo dodrženo sériové elektrické zapojení článků.In applications requiring higher temperature differences, a cascade of several layers of superimposed surface batteries is superimposed on each other, wherein the bottom warm side of the surface battery is cooled by the top cold side of another surface battery. The individual surface batteries are separated from each other by an electrical insulator, such as a corundum plate, or special ceramic materials, to maintain the series electrical wiring of the cells.

Potřeba elektrického izolantu je nevýhodou tohoto řešení, neboť elektrický izolant je zároveň izolantem tepelným, což způsobuje významné tepelné ztráty, a tím jak snížení tepelného rozdílu mezi chladnou a teplou stranou, tak i snížení celkové účinnosti. Nutnost použití izolačních destiček z drahých materiálů znamená také vyšší výrobní náklady.The need for an electrical insulator is a disadvantage of this solution, since the electrical insulator is also a thermal insulator, which causes significant heat loss and thus both a reduction in the thermal difference between the hot and cold side and a decrease in overall efficiency. The necessity of using insulating inserts made of expensive materials also means higher production costs.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nedostatky ve značné míře odstraňuje kaskáda termoelektrických článků využívající Peltierův jev složená z nejméně dvou vrstev do série zapojených polovodičových elementů typu P a typu N, které se pravidelně střídají a jsou navzájem spojeny vodivými propojkami podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že druhá a každá další vrstva kaskády termoelektrických článků má vodivé propojky polovodičových elementů typu P a polo» vodičových elementů typu N společné s vrstvou předchozí.These drawbacks are largely overcome by a Peltier effect cascade composed of at least two layers of series-connected P-type and N-type semiconductor elements that alternate regularly and are connected to each other by conductive jumpers according to the invention. each additional cascade of thermocouple casings has conductive jumpers of P-type semiconductor elements and N-type semiconductor elements in common with the preceding layer.

Jednotlivé vrstvy kaskády mohou obsahovat polovodičové elementy typu P a typu N odlišných specifických elektrických vlastností nebo rozměrů.Individual cascade layers may contain P-type and N-type semiconductor elements of different specific electrical properties or dimensions.

Výhody takto uspořádaného termoelektrického článku spočívají především v eliminaci vnitřních izolačních vrstev, a tím odstranění ztrát rozdílu teplot, způsobených teplotním gradientem na vnitřní izolační destičce. Odpadá nutnost průchodu tepla vnitřní izolační destičkou, a tím se zvyšuje dosažitelný rozdíl teplot chladící kaskády i chladicí výkon.The advantages of the thermocouple arranged in this way are primarily the elimination of the inner insulating layers and thus the elimination of the temperature difference losses caused by the temperature gradient on the inner insulating plate. There is no need for heat to pass through the inner insulation plate, thereby increasing the achievable temperature difference between the cooling cascade and the cooling capacity.

Úspora vnitřních izolačních destiček má příznivý vliv na výrobní náklady, zároveň se zvýší kompaktnost kaskády, zmenší se její tloušťka a hmotnost, což je důležité zejména v miniaturních a kosmických aplikacích.The saving of internal insulation plates has a positive effect on production costs, while increasing the cascade's compactness, reducing its thickness and weight, which is particularly important in miniature and space applications.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Na obr. 1 je znázorněno dosavadní provedení termoelektrického článku, na obr. 2 je vyobrazena kaskáda termoelektrických článků v obvyklém provedení.FIG. 1 illustrates a prior art thermocouple; FIG. 2 illustrates a cascade of thermocouple in a conventional embodiment.

Na obr. 3 je znázorněn základní prvek kaskády termoelektrických článků podle tohoto vynálezu a na obr. 4 možné řešení kaskády se třemi vrstvami původních článků.Fig. 3 shows the basic element of the cascade of thermocouples according to the invention; and Fig. 4 shows a possible cascade solution with three layers of the original cells.

Příklad provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Základní prvek kaskády termoelektrických (Peltierovýchj článků zobrazený na obr. 3 je vytvořen tak, že k původnímu termoelektrickému článku podle obr. 1 tvořenému polovodičovým elementem 1 typu P, polovodičovým elementem 2 typu N a vodivýnji propojkami 3 jsou přidány další dva polovodičové elementy 1,2 typu P a N, a to tak, že na vodivou propojku ’3 s vodivě připojeným dosavadním polovodičovým elementem 1^ typu P je z druhé strany vodivě připojen polovodičový element 2 typu N a na vodivou propojku 2 s vodivě připojeným dosavadním polovodičovým elementem 2 typu N je z druhé strany vodivě připojen polovodičový element 1^ typu P, přičemž druhé konce polovodičových elementů 1,2 typu P a N jsou rovněž spojeny vodivými propojkami 3.The base element of the thermoelectric cascade (Peltier cells shown in Fig. 3) is formed by adding two more semiconductor elements 1,2 to the original thermoelectric element of Fig. 1 consisting of a P-type semiconductor element 1, a N-type semiconductor element 2 and more conductive jumpers 3. of type P and N, such that a conductor jumper 3 with a conductively connected prior art P-type semiconductor element 2 is conductively connected on the other side and a conductor jumper 2 with a conductively connected prior art N-type semiconductor element 2 a P-type semiconductor element 1 is conductively connected on the other side, the other ends of the P and N-type semiconductor elements 1,2 being also connected by conductive jumpers 3.

Z obrázku 4, který znázorňuje konkrétní provedení třívrstvé kaskády je zřejmé, že základní prvky popsané na obr. 3 se pravidelně střídají.From Figure 4, which shows a specific embodiment of the three-layer cascade, it is clear that the basic elements described in Figure 3 alternate regularly.

Kaskáda polovodičových elementů je uzavřena mezi izolační destičky £ například z korundu.A cascade of semiconductor elements is enclosed between insulating plates 6, for example of corundum.

Takto lze vytvořit dvou, tří i více vrstvě kaskády podle potřeby.In this way, two, three or more layers of cascade can be created as needed.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Nejvíce aplikací lze očekávat v oboru chlazení, termoregulační technice, v elektrotechnickém průmyslu například k chlazení mikroprocesorů, v kosmické technice a podobně.Most applications can be expected in the field of cooling, thermoregulation technology, in the electrical industry, for example, for microprocessor cooling, space technology and the like.

Claims (2)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Kaskáda termoelektrických článků využívající Peltierův jev složená z nejméně dvou vrstev do série zapojených polovodi^čových elementů typu P a N, které se pravidelně střídají a jsou navzájem spojeny vodivými propojkami, vyznačující se tím, že druhá a každá další vrstva kaskády termoelektrických článků má vodivé propojky (3)' polovodičových elementů (1) typu P a polovodičových elementů (2) typu N společné s vrstvou předchozí. ,A thermoelectric cell cascade utilizing a Peltier effect consisting of at least two layers in series of connected P and N semiconductor elements which alternate regularly and are interconnected by conductive jumpers, characterized in that the second and each additional thermoelectric cell casing has conductive jumpers (3) 'of the P-type semiconductor elements (1) and the N-type semiconductor elements (2) in common with the preceding layer. , 2. Kaskáda termoelektrických článků podle -bodu- 1 vyznačující se tím, že jednotlivé vrstvy kaskády obsahují polovodičově elementy (1) typu P a polovodičové elementy (2) typu N odlišných specifických elektrických vlastností nebo rozměrů.A cascade of thermocouples according to item 1, characterized in that the individual cascade layers comprise P-type semiconductor elements (1) and N-type semiconductor elements (2) of different specific electrical properties or dimensions.
CZ942736A 1994-11-08 1994-11-08 Cascade of thermo-electric cells employing peltier effect CZ281281B6 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ942736A CZ281281B6 (en) 1994-11-08 1994-11-08 Cascade of thermo-electric cells employing peltier effect
PCT/CZ1995/000025 WO1996015412A2 (en) 1994-11-08 1995-11-08 Cascade of thermoelectric couples

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ942736A CZ281281B6 (en) 1994-11-08 1994-11-08 Cascade of thermo-electric cells employing peltier effect

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ273694A3 true CZ273694A3 (en) 1996-06-12
CZ281281B6 CZ281281B6 (en) 1996-08-14

Family

ID=5465491

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ942736A CZ281281B6 (en) 1994-11-08 1994-11-08 Cascade of thermo-electric cells employing peltier effect

Country Status (2)

Country Link
CZ (1) CZ281281B6 (en)
WO (1) WO1996015412A2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109378381A (en) * 2018-10-19 2019-02-22 包头稀土研究院 High temperature thermoelectric unit and its manufacturing method

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6038865A (en) * 1996-07-16 2000-03-21 Thermovonics Co., Ltd. Temperature-controlled appliance
EP0897518A4 (en) * 1997-01-06 2005-02-02 Renee M Hall Method and apparatus to cool food contact machines and surfaces
DE19827898C1 (en) * 1998-06-23 1999-11-11 Hans Leysieffer Electrical energy supply for an implant, eg. a hearing aid
FR2959874B1 (en) 2010-05-05 2013-12-27 Commissariat Energie Atomique THERMOELECTRIC MODULE OPTIMIZED FOR OPERATION IN PELTIER MODE AND SEEBECK MODE.
GB2521354A (en) * 2013-12-17 2015-06-24 Ibm Thermoelectric device
GB2521353A (en) * 2013-12-17 2015-06-24 Ibm Thermoelectric device
WO2021112874A1 (en) * 2019-12-06 2021-06-10 3M Innovative Properties Company A thermoelectric module
CN112542541A (en) * 2020-11-27 2021-03-23 上海应用技术大学 Thermal power generation device and preparation method thereof

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1029277A (en) * 1962-05-09 1966-05-11 Frigistor Lab Ltd Improved multistage thermoelectric cooling device
US3125860A (en) * 1962-07-12 1964-03-24 Thermoelectric cooling system
DE1810629B1 (en) * 1968-11-23 1970-04-30 Philips Patentverwaltung Thermoelectric cooling system with a multi-stage cascade Peltier battery

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109378381A (en) * 2018-10-19 2019-02-22 包头稀土研究院 High temperature thermoelectric unit and its manufacturing method

Also Published As

Publication number Publication date
WO1996015412A3 (en) 1996-07-18
WO1996015412A2 (en) 1996-05-23
CZ281281B6 (en) 1996-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100592542C (en) Multilevel semiconductor cascade refrigeration element and refrigeration thermopile
RU2546830C2 (en) Thermoelectric element
US8952234B2 (en) Thermoelectric device, especially intended to generate an electrical current in an automotive vehicle
CZ273694A3 (en) Peltier effect employing cascade of thermo-electric cells
RU2131156C1 (en) Thermoelectric converter
ATE484855T1 (en) CO-GENERATION OF ELECTRICITY USING THE SEEBECK EFFECT IN A FUEL CELL
US20050126618A1 (en) Device for producing electric energy
US8763680B2 (en) Heat exchange for a thermoelectric thin film element
RU2335036C2 (en) Thermobattery
RU2312428C2 (en) Thermoelectric battery
RU2269184C2 (en) Thermoelectric battery
RU2376685C1 (en) Thermoelectric battery
RU2376684C1 (en) Thermoelectric battery
RU2282274C2 (en) Thermo-electric battery
RU2282273C2 (en) Thermo-electric battery
WO2020027685A1 (en) Thermoelectric module
RU2282280C2 (en) Device for fastening parts by freezing method
RU2280919C2 (en) Thermoelectric battery
US20150034139A1 (en) Thermoelectric generator
RU2357330C1 (en) Thermo-electrical battery
RU2534433C2 (en) Thermoelectric battery
RU2282277C2 (en) Thermo-electric battery
RU2376683C1 (en) Thermoelectric battery
RU2338300C1 (en) Thermo-electric battery
US20110174350A1 (en) Thermoelectric generator

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 19991108