RU189447U1 - Термоэлектрический модуль - Google Patents
Термоэлектрический модуль Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 20
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 9
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000004568 cement Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000012776 electronic material Substances 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
- H10N10/853—Thermoelectric 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)
-
- 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.
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)
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 |
-
2019
- 2019-02-13 RU RU2019103970U patent/RU189447U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
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)
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 |