RU189447U1 - Термоэлектрический модуль - Google Patents

Термоэлектрический модуль Download PDF

Info

Publication number
RU189447U1
RU189447U1 RU2019103970U RU2019103970U RU189447U1 RU 189447 U1 RU189447 U1 RU 189447U1 RU 2019103970 U RU2019103970 U RU 2019103970U RU 2019103970 U RU2019103970 U RU 2019103970U RU 189447 U1 RU189447 U1 RU 189447U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
central tube
type semiconductor
semiconductor elements
elements
casing
Prior art date
Application number
RU2019103970U
Other languages
English (en)
Inventor
Олег Владимирович Меркулов
Алексей Александрович Марков
Илья Аркадьевич Леонидов
Михаил Валентинович Патракеев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Priority to RU2019103970U priority Critical patent/RU189447U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU189447U1 publication Critical patent/RU189447U1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/853Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Использование: для утилизации отходящего тепла от наземных/воздушных транспортных средств, промышленных котлов, электростанций, цементных заводов. Сущность полезной модели заключается в том, что термоэлектрический модуль содержит цилиндрический металлический корпус, центральную трубу, расположенную по центральной оси кожуха, имеющую входное и выходное отверстия, три трубы, расположенные вдоль внутренней стенки кожуха, имеющие входные и выходные отверстия, не менее 12 пар полупроводниковых элементов n- и р- типов, расположенных радиально относительно центральной трубы и соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, при этом один торец каждого элемента присоединен к центральной трубе посредством серебряной пластины, а второй торец каждого элемента присоединен к одной из трех труб посредством медной пластины, причем к первой и последней медной пластине электрической цепи подключены электроды, выведенные наружу, при этом полупроводниковые элементы n-типа выполнены из материала состава CaMnTaO, и полупроводниковые элементы p-типа выполнены из материала на основе комплексного оксида со слоистой структурой, из материала состава CaBiNaCoO, при этом длина каждого полупроводникового элемента обоих типов, имеющих квадратное сечение, составляет не более 5 диагоналей этого сечения. Технический результат: обеспечение возможности повышения выходной мощности. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к устройствам, позволяющим напрямую конвертировать тепло в электрическую энергию, и может быть использована для утилизации отходящего тепла от наземных/воздушных транспортных средств, промышленных котлов, электростанций, цементных заводов и т.д..
Известен термоэлектрический модуль, содержащий совокупность полупроводниковых элементов n- и р- типа, соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, при этом вход и выход цепи присоединены к электродам, причем элементы n-типа выполнены из материала состава AxVOx+1, 5+d, где А по крайней мере один элемент, выбранный из группы Na, K, Cs, Ca, Sr и Ba, 0,2 ≤ х≤1,5 ; -1≤ d≤1(Патент US 7435896, МПК H01L 35/22, 2008 г.).
Однако срок службы известного модуля ограничен, поскольку материал полупроводникового элемента имеет низкую термическую стабильность, а именно после 200оС он начинает окисляться на воздухе.
Известен термоэлектрический модуль, содержащий совокупность полупроводниковых элементов n- и р- типа, соединенных в электрическую цепь, причем элементы n-типа выполнены из материала на основе комплексного оксида, содержащего Zn, Al, Ga, B. При этом молярное содержание каждого элемента не должно быть менее 0,0001 и более 0,1; а плотность комплексного оксида составляет не менее 95% (Заявка US 2012/0118347; МПК H01L 35/32, H01L 1/08, H01L 35/14; 2012 г.).
Основным недостатком модуля является перегрев устройства во время работы за счет высокой теплопроводности полупроводниковых элементов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому термоэлектрическому модулю является термоэлектрический модуль на основе комплексных оксидов, содержащий цилиндрический металлический корпус, центральную трубу, расположенную по центральной оси кожуха, имеющую входное и выходное отверстия, три трубы, расположенные вдоль внутренней стенки кожуха, имеющие входные и выходные отверстия, 12 пар полупроводниковых элементов n- и р- типов, расположенных радиально относительно центральной трубы и соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, при этом один торец каждого элемента присоединен к центральной трубе посредством серебряной пластины, а второй торец каждого элемента присоединен к одной из трех труб посредством медной пластины, причем к концу и началу электрической цепи подключены электроды, выведенные наружу. Полупроводниковые элементы n-типа выполнены из материала состава CaMn0,95Ta0,05O3-δ, полупроводниковые элементы p-типа выполнены из материала состава Ca2,7Bi0,3Co4O9+δ (O.V. Merkulov, B.V. Politov, K.Ju. Chesnokov, A.A. Markov, I.A. Leonidov, M.V. Patrakeev, V.L. Kozhevnikov “Fabrication and opportunities of tube-form thermoelectric module based on oxides”, Journal of electronic Materials. 2018. V. 47. P. 2808–2816).
Однако известный термоэлектрический модуль имеет относительно низкую выходную мощность, что обусловлено, во-первых, тем, что термоэлектрический фактор мощности элемента р-типа, значительно ниже, чем у элемента n-типа; во-вторых, относительно высоким сопротивлением термоэлектрических элементов, которое объясняется существенной длиной керамических элементов и низкой относительной плотностью элемента р-типа.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать конструкцию термоэлектрического модуля, обеспечивающую повышение выходной мощности модуля.
Поставленная задача решена в термоэлектрическом модуле, содержащем цилиндрический металлический корпус, центральную трубу, расположенную по центральной оси кожуха, имеющую входное и выходное отверстия, три трубы, расположенные вдоль внутренней стенки кожуха, имеющие входные и выходные отверстия, не менее 12 пар полупроводниковых элементов n- и р- типов, расположенных радиально относительно центральной трубы и соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, при этом один торец каждого элемента присоединен к центральной трубе посредством серебряной пластины, а второй торец каждого элемента присоединен к одной из трех труб посредством медной пластины, причем к первой и последней медной пластине электрической цепи подключены электроды, выведенные наружу, при этом полупроводниковые элементы n-типа выполнены из материала состава CaMn0,95Ta0,05O3-δ, и полупроводниковые элементы p-типа выполнены из материала на основе комплексного оксида со слоистой структурой, в котором полупроводниковые элементы р-типа выполнены из материала состава Ca2Bi0,3Na0,3Co4O9, при этом длина каждого полупроводникового элемента обоих типов, имеющих квадратное сечение, составляет не более 5 диагоналей этого сечения.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен термоэлектрический модуль, в котором полупроводниковые элементы р-типа выполнены из материала состава Ca2Bi0,3Na0,3Co4O9, при этом длина каждого полупроводникового элемента обоих типов, имеющих квадратное сечение, составляет не более 5 диагоналей этого сечения.
Как известно, термоэлектрическая генерация – это технология непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с использованием эффекта Зеебека, то есть эффекта, при котором возникающая термоэдс пропорциональна разности температур противоположных концов элемента. При этом при использовании полупроводников, имеющих носители заряда противоположных знаков, в случае соединения их друг с другом термически параллельно и электрически последовательно вследствие температурного градиента возникает электрический ток. Примером двух элементов, имеющих носители заряда противоположных знаков, являются полупроводник р- типа, в котором электропроводящей является “дырка” и полупроводник n-типа, в котором электропроводящим является электрон. Известный термоэлектрический модуль, указанный в качестве прототипа, обладает относительно невысокой мощностью, в частности за счет выполнения полупроводниковых элементов p-типа из материала состава Ca2,7Bi0,3Co4O9+δ, который характеризуется невысоким фактором мощности, равным 1.2∙10-4Вт∙К-2∙м-1. Исследования, проведенные авторами, позволили установить, что выходная мощность модуля значительно повышается, если в качестве полупроводниковых элементов p-типа использовать материал состава Ca2,4Bi0,3 Na0,3Co4O9, который характеризуется фактором мощности, равным 5.6∙10-4Вт∙К-2∙м-1 (Gaojie Xu, Ryoji Funahashi, Masahiro Shikano, Ichiro Matsubara, Yuqin Zhou “Thermoelectric properties of the Bi- and Na- substituted Ca3Co4O9 system”, Applied Physics Letters, V. 80, N. 20). При этом существенным фактором являются геометрические размеры полупроводниковых элементов, а именно необходимо было определить оптимальное соотношение длины и размеров поперечного сечения элемента, обеспечивающее необходимое соотношение теплопроводности и электрического сопротивления. Авторами установлено, что оптимальным является соотношение: длина каждого полупроводникового элемента обоих типов, имеющих квадратное сечение, составляет не более 5 диагоналей этого сечения, поскольку при увеличении длины значительно возрастает электросопротивление.
Схематическое изображение предлагаемого термоэлектрического модуля представлено на фиг. 1. Модуль состоит из не менее 12, в частности 24 термоэлектрических элементов n–типа (1) и p–типа (2), соединенных поочередно и последовательно. Длина каждого полупроводникового элемента обоих типов, имеющих квадратное сечение, составляет не более 5 диагоналей этого сечения. Материал элемента n-типа (1): Ca0.85Bi0.15MnO3. Материал элемента p-типа (2): Ca2,4Bi0,3 Na0,3Co4O9. Один торец каждого элемента присоединен к центральной трубе (3) посредством серебряной пластины. Второй торец каждого элемента присоединен к трубкам (4) посредством медной пластины. Три ряда элементов радиально расположены вокруг центральной трубы (3), между горячей и холодными сторонами конструкции. Центральная труба (3) является горячей стороной модуля. Труба (3) покрыта высокотемпературной изолирующей краской. Три трубы (4) являются частью конструкции холодной стороны. Трубы (3) и (4) изготовлены из нержавеющей стали. Термоэлектрические элементы (1, 2) соединены последовательно в электрическую цепь коммутационными элементами (5, 6, 7). Коммутационными элементами на горячей стороне являются серебряные пластины (5). Коммутационными элементами на холодных сторонах являются медные пластины (6). Ряды термоэлектрических элементов соединены медной проволокой (7). Медные пластины (6) крепятся к трубкам (4) при помощи крепежных металлических изделий (8), покрытых изоляционной краской. Внешние медные электроды (9) припаяны к первой и последней медным пластинам в последовательной электрической цепи и выведены из двух торцевых стенок (10) модуля, изготовленных из нержавеющей стали. На рисунке виден только один внешний электрод, выведенный из одной торцевой стенки (10). Термоэлектрический модуль закрыт металлическим кожухом (11).
Предлагаемый термоэлектрический модуль работает следующим образом.
В центральную трубу (3) подводится нагретый газ, являющийся источником тепла. К трубам (4) подводится охлаждающая жидкость, являющаяся теплоносителем, например вода. Один конец каждого термоэлектрического элемента (1, 2) нагревается за счет тепла, переданного от центральной трубы (3), другой конец охлаждается за счет передачи тепла от термоэлектрического элемента к трубке (4), по которой течет охлаждающая жидкость. За счет создания температурного градиента вдоль термоэлектрических элементов (1, 2) инициируется процесс появления разницы потенциалов (термоЭДС) на концах данных элементов. Для увеличения выходного напряжения модуля, термоэлектрические элементы были соединены последовательно, поскольку, при последовательном соединении термоэлектрических элементов, полное напряжение в цепи равно сумме возникающих термоЭДС каждого термоэлектрического элемента. По внешним электродам (9) на внешнюю нагрузку, в случае подключения, поступает электрическая энергия. Выходная мощность предлагаемого термоэлектрического модуля повышается в 6 раз по сравнению с термоэлектрическим модулем-прототипом.
Таким образом, авторами предлагается термоэлектрический модуль, совокупность конструктивных элементов которого позволяет повысить выходную мощность за счет выполнение элементов р-типа из материала, имеющего повышенный теплоэлектрический фактор мощности, и использование оптимального соотношения геометрических размеров каждого элемента.

Claims (2)


  1.      
  2. Термоэлектрический модуль, содержащий цилиндрический металлический корпус, центральную трубу, расположенную по центральной оси кожуха, имеющую входное и выходное отверстия, три трубы, расположенные вдоль внутренней стенки кожуха, имеющие входные и выходные отверстия, не менее 12 пар полупроводниковых элементов n- и р- типов, расположенных радиально относительно центральной трубы и соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, при этом один торец каждого элемента присоединен к центральной трубе посредством серебряной пластины, а второй торец каждого элемента присоединен к одной из трех труб посредством медной пластины, причем к первой и последней медной пластине электрической цепи подключены электроды, выведенные наружу, при этом полупроводниковые элементы n-типа выполнены из материала со структурой перовскита состава CaMn0,95Ta0,05O3-δ, и полупроводниковые элементы p-типа выполнены из материала на основе комплексного оксида со слоистой структурой, отличающийся тем, что полупроводниковые элементы р-типа выполнены из материала состава Ca2Bi0,3Na0,3Co4O9, при этом длина каждого полупроводникового элемента обоих типов, имеющих квадратное сечение, составляет не более 5 диагоналей этого сечения.
RU2019103970U 2019-02-13 2019-02-13 Термоэлектрический модуль RU189447U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019103970U RU189447U1 (ru) 2019-02-13 2019-02-13 Термоэлектрический модуль

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019103970U RU189447U1 (ru) 2019-02-13 2019-02-13 Термоэлектрический модуль

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU189447U1 true RU189447U1 (ru) 2019-05-22

Family

ID=66635871

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019103970U RU189447U1 (ru) 2019-02-13 2019-02-13 Термоэлектрический модуль

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU189447U1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7435896B2 (en) * 2003-05-20 2008-10-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion element using the material, cooling device and electric apparatus using the element, and electric power generation method and cooling method using the element
US7649139B2 (en) * 2004-03-25 2010-01-19 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module
US20120118347A1 (en) * 2009-06-04 2012-05-17 Sumitomo Chemical Company, Limited Thermoelectric conversion material
US9269880B2 (en) * 2013-02-15 2016-02-23 Sandia Corporation High ZT bismuth-doped perovskite thermoelectrics

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7435896B2 (en) * 2003-05-20 2008-10-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion element using the material, cooling device and electric apparatus using the element, and electric power generation method and cooling method using the element
US7649139B2 (en) * 2004-03-25 2010-01-19 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module
US20120118347A1 (en) * 2009-06-04 2012-05-17 Sumitomo Chemical Company, Limited Thermoelectric conversion material
US9269880B2 (en) * 2013-02-15 2016-02-23 Sandia Corporation High ZT bismuth-doped perovskite thermoelectrics

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
O.V. MERKULOV, B.V. POLITOV, K.YU. CHESNOKOV, A.A. MARKOV, I.A. LEONIDOV, and M.V. PATRAKEEV, Fabrication and Testing of a Tubular Thermoelectric Module Based on Oxide Elements, Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 47, No. 5, 2018. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5228923A (en) Cylindrical thermoelectric cells
US6096966A (en) Tubular thermoelectric module
RU124840U1 (ru) Радиально-кольцевая термоэлектрическая генераторная батарея
JPWO2006004059A1 (ja) 熱電変換モジュール
US20080060695A1 (en) Generator of electric energy based on the thermoelectric effect
CN105576112B (zh) 环形热电器件
US3356539A (en) Thermoelectric generator
CN108493322B (zh) 环形热电材料发电器的热电偶单元及环形热电材料发电器
CN102891248B (zh) 一种柔性热电转换系统及其制造方法
Wang et al. A novel multilayer composite structured thermoelectric module with high output power
RU189447U1 (ru) Термоэлектрический модуль
CN109639181B (zh) 一种原位热伏发电装置
CN114946043A (zh) 发电设备
CN110729393A (zh) 高温差环形分段热电材料发电器及其径向等截面积热电偶单元
KR100972130B1 (ko) 열전소자
CN202855806U (zh) 一种柔性热电发生器
CN109378999B (zh) 一种基于余废热发电的热伏发电装置
CN210535693U (zh) 高温差环形分段热电材料发电器及其径向等截面积热电偶单元
KR20160033101A (ko) 특히 자동차에서 전류를 생성하기 위한 열전 장치
JPH05315657A (ja) 熱電変換素子と熱電変換装置
US20060219282A1 (en) Thermoelectric conversion element and production method therefor
CN208690302U (zh) 一种有机无机复合材料热电发电装置
KR102145901B1 (ko) 열전 소자 모듈
CN106784278B (zh) 热电转换装置
CN202855804U (zh) 一种柔性热电转换系统

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20200214