RU2087054C1 - Thermoelectric multiple-stage cooler - Google Patents

Thermoelectric multiple-stage cooler Download PDF

Info

Publication number
RU2087054C1
RU2087054C1 SU5023733A RU2087054C1 RU 2087054 C1 RU2087054 C1 RU 2087054C1 SU 5023733 A SU5023733 A SU 5023733A RU 2087054 C1 RU2087054 C1 RU 2087054C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
branches
active
cascade
passive
branch
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Федорович Моисеев
Михаил Николаевич Сомкин
Аркадий Леонидович Вайнер
Original Assignee
Научно-исследовательский институт "Шторм"
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 Научно-исследовательский институт "Шторм" filed Critical Научно-исследовательский институт "Шторм"
Priority to SU5023733 priority Critical patent/RU2087054C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2087054C1 publication Critical patent/RU2087054C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

FIELD: radio and space engineering and other industries. SUBSTANCE: introduced in elementary N-stage cell are (N-1) stage circuits of same polarity of conductivity with one to (N-1) stages electrically connected to three-dimensional passive superconducting circuits using branched circuit of current distribution among stages. Number of passive circuits is same as that of active circuits and they are inclined to the latter. EFFECT: improved design, enlarged functional capabilities. 3 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам для охлаждения, в частности к каскадным охладителям, работающим при низких (50oC150 К) температурах, и может быть применено в радиоэлектронике, космической технике и других областях.The invention relates to thermoelectric devices for cooling, in particular to cascade chillers operating at low (50 o C150 K) temperatures, and can be used in electronics, space technology and other fields.

Известны каскадные термоэлектрические охладители, содержащие полупроводниковые ветви II- и p-типа проводимости, соединенные по схеме с параллельным (разветвленным) электропитанием каскадов [1] что позволяет подводить ток только к самым "горячим" спаям и не требует электроизоляционных теплопереходов, вносящих тепловое сопротивление между каскадами. Known cascade thermoelectric coolers containing semiconductor branches of II- and p-type conductivity, connected according to the scheme with parallel (branched) power supply of cascades [1] that allows you to supply current only to the “hottest” junctions and does not require electrical insulating heat transfers that introduce thermal resistance between cascades.

Однако при низких температурах (ниже 150К) термоэлектрическая эффективность таких охладителей низка, так как для этой температурной области в настоящее время отсутствуют высокоэффективные ветви p-типа. (Ветви II-типа - BiSb). However, at low temperatures (below 150K), the thermoelectric efficiency of such coolers is low, since there are currently no highly efficient p-type branches for this temperature range. (Type II branches - BiSb).

Для повышения эффективности охладителя вместо полупроводниковых ветвей p-типа устанавливают сверхпроводящие ветви, которые, хотя и не обладают термоэлектрическими свойствами, но и не выделяют джоулева тепла [2]
Возможно применение и несверхпроводящих пассивных ветвей термоэлементов.
To increase the efficiency of the cooler, instead of p-type semiconductor branches, superconducting branches are installed, which, although they do not have thermoelectric properties, do not emit Joule heat [2]
It is possible to use non-superconducting passive branches of thermocouples.

Простая замена в известном каскадном охладителе с n-ветвями из BiSb полупроводниковых ветвей p-типа на сверхпроводящие ветви не реализует всех возможностей такой замены. Возникают потери перепада температуры из-за взаимного расположения пассивных (сверхпроводящих) и активных (полупроводниковых) ветвей термоэлемента, когда активная (выделяющая тепло Пельтье) ветвь первого (более холодного) каскада расположена на пассивной (не поглощающей тепло) ветви второго каскада и т.д. Перекосы температуры в контактных пластинах усугубляют также основной недостаток рассматриваемой схемы трудность реализации режима максимальной экономичности из-за равенства падений напряжений на термоэлементах всех каскадов. A simple replacement in the known cascade cooler with n-branches from BiSb of p-type semiconductor branches by superconducting branches does not realize all the possibilities of such a replacement. There is a loss of temperature difference due to the mutual arrangement of the passive (superconducting) and active (semiconductor) branches of the thermocouple, when the active (Peltier-generating heat) branch of the first (colder) cascade is located on the passive (not absorbing heat) branch of the second cascade, etc. . Temperature imbalances in the contact plates also aggravate the main drawback of the considered circuit, the difficulty of implementing the maximum economy mode due to the equality of voltage drops on thermocouples of all cascades.

Указанные недостатки в основном устранены в известном каскадном термоэлектрическом охладителе [3]
В этом охладителе (прототип) активные (полупроводниковые) ветви расположены одна над другой, образуя в элементарной N-каскадной ячейке одну N-каскадную активную ветвь. Между активными ветвями (каскадами) установлены электроизоляционные пластины и металлические пластины.
These disadvantages are mainly eliminated in the well-known cascade thermoelectric cooler [3]
In this cooler (prototype), the active (semiconductor) branches are located one above the other, forming one N-cascade active branch in an elementary N-cascade cell. Between the active branches (cascades), electrical insulating plates and metal plates are installed.

Расположение пассивных (сверхпроводящих) ветвей таково, что возможно как независимое позволяющее реализовать экономичный режим, так и параллельное (при объединении однополярных выводов) электропитание. (В последнем случае падения напряжений в каскадах одинаковы). The location of the passive (superconducting) branches is such that it is possible both independently allowing the implementation of an economical mode and parallel (when combining unipolar outputs) power supply. (In the latter case, the voltage drops in the cascades are the same).

Указанный каскадный охладитель обладает рядом недостатков. The specified cascade cooler has several disadvantages.

В элементарной 2-каскадной ячейке на две активных ветви приходится три пассивных ветви. Это усложняет конструкцию и снижает термоэлектрическую эффективность (перепад температуры при заданной тепловой нагрузке или холодопроизводительность при заданном перепаде температуры) из-за теплопритоков по дополнительной пассивной ветви. (Токовое сечение сверхпроводящей ветви, изготавливаемых, как правило, из керамики, не может быть бесконечно малым, т. к. определяется требованиями прочности и критической плотности тока.)
При наращивании каскадов на каждую последующую активную ветвь требуется две пассивных ветви, одна из которых (дополнительная) непосредственно связана с источником питания, т.е. с окружающей средой (самыми "горячими" спаями охладителя).
In an elementary 2-cascade cell, two active branches have three passive branches. This complicates the design and reduces the thermoelectric figure of merit (temperature drop for a given heat load or cooling capacity for a given temperature drop) due to heat inflows through an additional passive branch. (The current cross section of a superconducting branch, usually made of ceramic, cannot be infinitesimal, because it is determined by the requirements of strength and critical current density.)
When building cascades for each subsequent active branch, two passive branches are required, one of which (additional) is directly connected to the power source, i.e. with the environment (the hottest junctions of the cooler).

В общем случае на N активных ветвей требуется (2N 1) пассивных ветвей, из которых N-1 дополнительных (от источника питания к соответствующей активной ветви). In the general case, N active branches require (2N 1) passive branches, of which N-1 are additional (from the power source to the corresponding active branch).

Соотношение термоэлементов в каскадах 1 1, что усложняет согласование каскадов и снижает напряжение питания элементарной ячейки и охладителя в целом. The ratio of thermocouples in cascades is 1 1, which complicates the coordination of cascades and reduces the supply voltage of the unit cell and the cooler as a whole.

При параллельном питании каскадов (однополярные выводы объединены) невозможно отказаться от электроизоляционных теплопереходов, снижающих общий перепад температуры (термоэлектрическую эффективность) в отличие от классического каскадного охладителя с параллельным (разветвленным) электропитание каскадов (см. аналог). With parallel cascade power supply (unipolar leads are combined), it is impossible to refuse insulating heat transfers that reduce the overall temperature difference (thermoelectric figure of merit), in contrast to the classic cascade cooler with parallel (branched) cascade power supply (see analog).

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и повышение термоэлектрической эффективности за счет снижения теплотпритоков, а также улучшение условий согласования каскадов, повышение напряжения питания. The aim of the invention is to eliminate these drawbacks and increase thermoelectric figure of merit by reducing heat losses, as well as improving the matching conditions of cascades, increasing the supply voltage.

Для достижения этой цели в элементарную N-каскадную ячейку введены кроме основной N-каскадной активной ветви еще и от одно-до (N 1)-каскадной активных ветвей, электрически соединенных с пассивными ветвями по схеме с разветвлением токов по каскадам, при этом число пассивных ветвей равно числу активных, и объемные пассивные ветви расположены наклонно к активным. To achieve this goal, in addition to the main N-cascade active branch, from one-to (N 1) -cascade active branches, electrically connected to passive branches according to the scheme with branching of currents in cascades, the number of passive branches is equal to the number of active, and voluminous passive branches are inclined to the active.

Снижение числа пассивных ветвей в расчете на одну активную ветвь и их постепенное охлаждение за счет дополнительных активных ветвей сводят к минимуму приток тепла к теплопоглощающим спаям активных ветвей по пассивным ветвям, что повышает термоэлектрическую эффективность охладителя. The decrease in the number of passive branches per active branch and their gradual cooling due to additional active branches minimizes the heat influx to the heat-absorbing junctions of the active branches along the passive branches, which increases the thermoelectric efficiency of the cooler.

Уменьшение притока тепла по пассивным ветвям происходит и за счет того, что наклонно расположенные пассивные ветви имеют большую, чем у активных ветвей токовую длину. A decrease in the heat influx along the passive branches occurs due to the fact that the inclined passive branches have a longer current length than the active branches.

Дополнительные активные ветви повышают напряжение питания элементарной N-каскадной ячейки и охладителя в целом. Additional active branches increase the supply voltage of the elementary N-cascade cell and the cooler as a whole.

Несмотря на разветвленное (параллельное) питание, падения напряжений в каскадах основной H-каскадной ветви в общем случае разные и могут быть легко оптимизированы. Despite the branched (parallel) power supply, voltage drops in cascades of the main H-cascade branch are generally different and can be easily optimized.

Таким образом, улучшаются условия согласования каскадов в H-каскадной ветви. Thus, the matching conditions of cascades in the H-cascade branch are improved.

На фиг. 1 и 2 схематически изображены двух-и трехкаскадные элементарные ячейки охладителя; на фиг. 3 электрическая схема соединения ветвей термоэлементов. In FIG. 1 and 2 schematically depict two and three-stage unit cells of a cooler; in FIG. 3 electrical diagram of the connection of the branches of thermocouples.

Охладитель содержит активные полупроводниковые ветви 1, например, из BiSb n-типа проводимости и пассивные сверхпроводящие ветви 2, например, из керамики Y, Ba2 Cu3O7 с температурой перехода во сверхпроводящее состояние Tс 92oC95К или таллиевой керамики с Tс 120К, соединенные между собой с помощью высокоэлектропроводного металла 3 (медь, припой и т.п.) с образованием спаев.The cooler contains active semiconductor branches 1, for example, from n-type BiSb and passive superconducting branches 2, for example, from Y, Ba 2 Cu 3 O 7 ceramics with a temperature of transition to the superconducting state T with 92 ° C95K or thallium ceramics with T with 120K, interconnected with a highly conductive metal 3 (copper, solder, etc.) with the formation of junctions.

Активные ветви термоэлементов, установленные одна на другую, образуют каскадные активные ветви. Active branches of thermocouples installed one on top of another form cascading active branches.

Элементарная двухкаскадная ячейка охладителя содержит двух-и однокаскадную активную ветвь, а трехкаскадная элементарная ячейка трех-, двух- и однокаскадную активную ветвь. The unitary two-stage cooler cell contains a two- and single-stage active branch, and the three-stage unit cell of a three-, two-, and single-stage active branch.

Активные ветви в каждой каскадной активной ветви могут быть одного токового сечения и разной токовой высоты (фиг. 1), разного токового сечения и одинаковой токовой высоты (фиг. 2) или разных и токового сечения и токовой высоты. The active branches in each cascaded active branch can be of the same current section and different current heights (Fig. 1), different current sections and the same current heights (Fig. 2), or different current sections and current heights.

Токовое сечение активных ветвей примерно на порядок больше минимально возможного токового сечения пассивных ветвей. The current section of the active branches is approximately an order of magnitude larger than the minimum possible current section of the passive branches.

Пассивные ветви, число которых равно числу активных, могут быть объединены в общие пластины (фиг. 1). Passive branches, the number of which is equal to the number of active, can be combined into common plates (Fig. 1).

Охладитель работает следующим образом. The cooler operates as follows.

При температуре окружающей среды, равной температуре перехода пассивных ветвей со сверхпроводящее состояние, охладитель готов к работе. At an ambient temperature equal to the transition temperature of the passive branches from the superconducting state, the cooler is ready for operation.

Постоянный электрический ток, распределяемый в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 3, вызывает эффект Пельтье. DC electric current distributed in accordance with the circuit shown in FIG. 3, causes the Peltier effect.

Далее рассмотрим работу на примере трехкаскадного охладителя (фиг. 2) и в первую очередь основной трехкаскадной активной ветви. Next, we consider the work on the example of a three-stage cooler (Fig. 2) and, first of all, the main three-stage active branch.

Тепло Qo, выделяемое объектом охлаждения, и тепло, поступающее за счет теплопроводности по пассивной ветви 1 каскада, поглощаются на рабочем спае активной ветви 1 каскада.The heat Q o generated by the cooling object and the heat supplied by the thermal conductivity of the passive branch 1 of the cascade are absorbed at the working junction of the active branch 1 of the cascade.

На противоположном спае активной ветви 1 каскада это тепло плюс тепло, соответствующее потребляемой активной ветвью 1 каскада мощности, выделяется. Сюда же поступает тепло по пассивной ветви II каскада. At the opposite junction of the active branch 1 of the cascade, this heat plus heat corresponding to the energy consumed by the active branch 1 of the cascade is released. Heat also flows here through the passive branch of the second cascade.

Активные ветви II и III каскадов работают аналогичным образом, только тепло с тепловыделяющего спая активной ветви III каскада отводится в окружающую среду. The active branches of the II and III cascades work in a similar way, only heat from the fuel junction of the active branch of the III cascade is transferred to the environment.

После выхода на режим на спаях устанавливаются температуры T0<T1<T2<T.After reaching the junction mode, temperatures T 0 <T 1 <T 2 <T are set.

Двухкаскадная и однокаскадная активные ветви трехкаскадного охладителя охлаждают пассивные ветви, уменьшая теплопритоки на спаи основной трехкаскадной ветви, что повышает термоэлектрическую эффективность. Этому способствует и то обстоятельство, что пассивные ветви из сверхпроводящей керамики (объемные ветви), расположенные наклонно, имеют несколько большую, чем у активных ветвей, длину. Two-stage and single-stage active branches of a three-stage cooler cool passive branches, reducing heat inflows on junctions of the main three-stage branch, which increases thermoelectric figure of merit. This is also facilitated by the fact that passive branches of superconducting ceramics (volume branches) located obliquely have a slightly longer length than active branches.

Предлагаемое устройство способствует решению проблемы охлаждения радиоэлектронных элементов в области температур ниже 150К, в которой традиционные термоэлектрические охладители на основе халькогенидов висмута и сурьмы, выпускаемые промышленностью, малоэффективны. Его технико-экономические преимущества перед прототипом определяются уменьшением потерь термоэлектрической эффективности при использовании пассивных сверхпроводящих ветвей за счет снижения теплопритоков по ним. The proposed device helps to solve the problem of cooling electronic components in the temperature range below 150K, in which traditional thermoelectric coolers based on bismuth and antimony chalcogenides produced by industry are ineffective. Its technical and economic advantages over the prototype are determined by a decrease in the loss of thermoelectric efficiency when using passive superconducting branches due to the reduction of heat gain through them.

Claims (1)

Каскадный термоэлектрический охладитель, содержащий активные полупроводниковые ветви одного типа проводимости, установленные одна на другой и образующие в элементарной N-каскадной ячейке одну активную N-каскадную ветвь, и объемные пассивные сверхпроводящие ветви, электрически соединенные с активными полупроводниковыми ветвями, отличающийся тем, что в элементарную N-каскадную ячейку введены (N 1)-каскадные ветви того же типа проводимости, с числом каскадов от одного до (N 1), электрически соединенные с объемными пассивными сверхпроводящими ветвями по схеме параллельного питания каскадов, причем объемные пассивные сверхпроводящие ветви расположены наклонно к активным и их число равно числу активных. A cascade thermoelectric cooler containing active semiconductor branches of one type of conductivity, mounted one on top of the other and forming one active N-cascade branch in a unit N-cascade cell, and bulk passive superconducting branches electrically connected to active semiconductor branches, characterized in that in elementary N-cascade cell introduced (N 1) -cascade branches of the same type of conductivity, with the number of cascades from one to (N 1), electrically connected to bulk passive superconducting and branches according to the scheme of parallel cascade supply, moreover, volumetric passive superconducting branches are inclined to the active ones and their number is equal to the number of active ones.
SU5023733 1991-09-04 1991-09-04 Thermoelectric multiple-stage cooler RU2087054C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5023733 RU2087054C1 (en) 1991-09-04 1991-09-04 Thermoelectric multiple-stage cooler

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5023733 RU2087054C1 (en) 1991-09-04 1991-09-04 Thermoelectric multiple-stage cooler

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2087054C1 true RU2087054C1 (en) 1997-08-10

Family

ID=21595152

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5023733 RU2087054C1 (en) 1991-09-04 1991-09-04 Thermoelectric multiple-stage cooler

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2087054C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Вайнер А.Л. Каскадные термоэлектрические источники холода. - М.: 1976, с. 83 - 85. 2. Осипова Э.В. Твердотельная криогеника. - Киев.: 1977, с. 64. 3. Goldsmid H.J., Gray D.S., Thermoelectric. Criogenics. 1979, N 5. с. 289 - 292. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5006505A (en) Peltier cooling stage utilizing a superconductor-semiconductor junction
KR930008003B1 (en) Low temperature thermoelectric refrigerating device using current carrying super conducting mode/nonsuperconducting mode
CN100592542C (en) Multilevel semiconductor cascade refrigeration element and refrigeration thermopile
US8143510B2 (en) Thermoelectric composite semiconductor
US7444826B2 (en) Fault current limiter
US20090086386A1 (en) Fault current limiter
RU2087054C1 (en) Thermoelectric multiple-stage cooler
JP3377350B2 (en) Thermoelectric cooling type power lead
CN108447974B (en) Inclined thermoelectric element and inclined thermoelectric assembly composed of same
JP3450318B2 (en) Thermoelectric cooling type power lead
JP3860070B2 (en) Thermoelectric cooling power lead
JP4019014B2 (en) Thermoelectric cooling power lead
CN114242881B (en) Cascade type plane thermoelectric thin film structure for cooling chip hot spots
RU2033583C1 (en) Thermoelectric module
Ivanov et al. Research and Analysis of the Electromotive Voltage Generated by Seebeck and Peltier Modules
Yamaguchi et al. Peltier current lead experiments with a thermoelectric semiconductor near 77 K [and HTSC]
US3260856A (en) Superconductor circuit assembly
Yamaguchi et al. Multi-stage Peltier current lead system for liquid helium free magnets
JPS63110680A (en) Thermal power generating device
Uenohara et al. Parametric amplifier with thermoelectric refrigeration
CN117998960A (en) Low-temperature semiconductor composite refrigerating system
Manikandan et al. Design of Mini Cooler by Using Peltier Module
Sidorenko Prospects of high T c superconductors in thermoelectric cooling
JPH0210760A (en) Electronic cooler
McCormick et al. The Feasibility of Solid-State Cryogenic Refrigeration to 70° K