RU2269183C2

RU2269183C2 - Thermoelectric battery

Info

Publication number: RU2269183C2
Application number: RU2003134614/28A
Authority: RU
Inventors: Тагир Абдурашидович Исмаилов (RU); Тагир Абдурашидович Исмаилов; Микаил Гаджимагомедович Вердиев (RU); Микаил Гаджимагомедович Вердиев; Олег Викторович Евдулов (RU); Олег Викторович Евдулов; Николай Евгеньевич Меркухин (RU); Николай Евгеньевич Меркухин
Original assignee: Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ)
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2006-01-27
Also published as: RU2003134614A

Abstract

FIELD: mechanical design of thermoelectric batteries.

SUBSTANCE: proposed thermoelectric battery has alternating p and n semiconductor branches connected in series to set up electric circuit by means of switching plates. Branches are electrically interconnected by bringing in contact p branch, switching plate, and n branch, where p branch contacts one of surfaces of switching plate through its end surface and n branch contacts its other surface. Each branch contacts two switching plates through its opposing end surfaces. Surface area of switching plates is slightly larger than cross-sectional area of p and n branches so that their ends protrude beyond surface of structure formed by thermoelectric battery branches. Ends of odd-numbered switching plates protrude beyond one surface of structure and those of even-numbered switching plates, beyond other surface. Ends of switching plates contact electrically isolated pads made in the form of metal or alloy films covering ceramic plates. Space confined between ceramic plates and surface of structure formed by thermoelectric battery branches is filled with heat insulation.

EFFECT: reduced heat load on switching plates, facilitated connection of the latter to cooled parts and heat dump system.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ).The invention relates to thermoelectric instrumentation, in particular to the construction of thermoelectric batteries (TEB).

Прототипом изобретения является ТЭБ, описанная в [1]. ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем ветви р-типа и n-типа контактируют торцевыми поверхностями соответственно с двумя противоположными поверхностями коммутационной пластины. Коммутационные пластины имеют несколько большую площадь, чем площадь поперечного сечения ветвей, вследствие чего они выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, причем, нечетные коммутационные пластины выступают за одну поверхность структуры, а четные коммутационные пластины - за другую.The prototype of the invention is the thermopile, described in [1]. A fuel cell consists of semiconductor thermoelements connected in series to an electric circuit, each of which is formed by two branches (columns made either cylindrical or in the form of a rectangular parallelepiped) made of a p- and n-type semiconductor, respectively. The branches of thermocouples are interconnected by means of patch plates, the p-type and n-type branches contacting the end surfaces with two opposite surfaces of the connecting plate, respectively. The patch plates have a slightly larger area than the cross-sectional area of the branches, as a result of which they protrude beyond the surface of the structure formed by the thermopile branches, moreover, the odd patch plates protrude over one surface of the structure, and the even patch plates over the other.

Недостатками известной конструкции являются наличие перетока тепла от поверхности ветвей ТЭБ к коммутационным пластинам, следствием чего является наличие на коммутационных пластинах дополнительной тепловой нагрузки, а также сложность сопряжения коммутационных пластин с объектами охлаждения и системой теплосброса.The disadvantages of the known design are the presence of heat transfer from the surface of the thermopile branches to the connection plates, which results in the presence of additional heat load on the connection plates, as well as the difficulty of connecting the connection plates to the cooling objects and the heat release system.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и повышение эффективности функционирования ТЭБ.The aim of the invention is to remedy these disadvantages and increase the efficiency of the fuel and energy complex.

Для достижения указанной цели заявляется ТЭБ, состоящая из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, причем ветви р-типа и n-типа контактируют торцевыми поверхностями соответственно с двумя противоположными поверхностями коммутационной пластины. Коммутационные пластины же имеют несколько большую площадь, чем площадь поперечного сечения ветвей, вследствие чего они выступают за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, причем, нечетные коммутационные пластины выступают за одну поверхность структуры, а четные коммутационные пластины - за другую. При этом коммутационные пластины своими концами контактируют с электроизолированными друг от друга площадками, выполненными в виде пленок металлов или сплавов, нанесенными на высокотеплопроводные керамические пластины теплопереходы, а свободное пространство, ограниченное керамическими пластинами и поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи заполнено теплоизоляцией.To achieve this goal, a thermopile is declared, consisting of semiconductor thermoelements connected in series to the electrical circuit through patch plates, each of which is formed by two branches made of p-type and n-type semiconductor, respectively, and p-type and n-type branches are in contact with end surfaces respectively with two opposite surfaces of the patch plate. The connection plates, on the other hand, have a slightly larger area than the cross-sectional area of the branches, as a result of which they protrude beyond the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery, and the odd connection plates protrude beyond one surface of the structure, and the even connection plates from the other. In this case, the switching plates at their ends are in contact with areas insulated from each other, made in the form of films of metals or alloys, deposited on highly heat-conducting ceramic heat transfer plates, and the free space limited by ceramic plates and the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery is filled with thermal insulation.

Конструкция ТЭБ приведена на фиг.1-2. ТЭБ 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 осуществляют посредством контакта ветвь р-типа 3 - коммутационная пластина 1 или 2 - ветвь n-типа 4, где ветвь р-типа 3 контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа 4 - с другой. Каждая ветвь в ТЭБ контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами 1 и 2. Коммутационные пластины 1 и 2 имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа 3 и 4, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, как это изображено на фиг.1. Концы нечетных коммутационных пластин 1 выступают за одну поверхность структуры, а концы четных коммутационных пластин 2 - за другую, как это изображено на фиг.2. На фиг.1 изображена ТЭБ с керамическими пластинами - теплопереходами. Свободные концы коммутационных пластин 1 и 2 припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам 5 и 6, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамические пластины 7 и 8. Пространство, ограниченное керамическими пластинами 7 и 8 и поверхностью структуры, образованной ветвями ТЭБ, заполнено теплоизоляцией 9. На крайней торцевой поверхности ветвей, находящихся соответственно в начале и конце ТЭБ имеются контактные площадки 10, посредством которых осуществляется электрический контакт к ТЭБ. В случае работы ТЭБ в режиме холодильника к контактам 10 подводится электрическая энергия от блока питания, а в случае работы ТЭБ в режиме термоэлектрического генератора с контактов 10 снимается электрическая энергия.The design of the thermopile is shown in Fig.1-2. The fuel and energy complex consists of alternating branches connected in series into the electric circuit by means of switching plates 1 and 2, made of p-type 3 and n-type 4 semiconductor, respectively. The electric connection of the branches is carried out by means of contact p-type branch 3 - switching plate 1 or 2 - branch n-type 4, where the p-type 3 branch is in contact with the end surface from one of the surfaces of the patch plate, and the n-type 4 branch is on the other. Each branch in the thermopile is in contact with opposite end surfaces with two connection plates 1 and 2. Connection plates 1 and 2 have an area slightly larger than the cross-sectional area of the p- and n-type branches 3 and 4, as a result of which their ends protrude beyond the surface of the structure formed by the branches of the thermopile, as shown in figure 1. The ends of the odd patch plates 1 protrude beyond one surface of the structure, and the ends of the even patch plates 2 protrude from the other, as shown in FIG. Figure 1 shows the thermopile with ceramic plates - heat transfer. The free ends of the connecting plates 1 and 2 are soldered to the areas 5 and 6, electrically insulated from each other, made in the form of films of metals or alloys deposited on ceramic plates 7 and 8. The space bounded by ceramic plates 7 and 8 and the surface of the structure formed by the thermopile branches, filled with thermal insulation 9. On the extreme end surface of the branches located respectively at the beginning and end of the thermopile, there are contact pads 10 through which electrical contact is made to the thermopile. In the case of thermopile operation in the refrigerator mode, electrical energy is supplied to contacts 10 from the power supply, and in the case of thermopile operation in the thermoelectric generator mode, electrical energy is removed from contacts 10.

ТЭБ в режиме холодильника функционирует следующим образом. При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии через контактные площадки 10, между коммутационными пластинами 1 и 2, представляющими собой контакты ветвей р- и n-типа 3 и 4, возникает разность температур, обусловленная выделением на одних соседних концах ветвей - четных или нечетных коммутационных пластинах, и поглощением на других соседних концах ветвей - нечетных или четных коммутационных пластинах, теплоты Пельтье. При указанной на фиг.1 полярности электрического тока происходит нагрев концов ветвей, контактирующих с четными коммутационными пластинами 2 и охлаждение концов ветвей, контактирующих с нечетными 1. Если при этом за счет теплоотвода температура теплоперехода 8, с которым контактируют площадки 6 с припаянными коммутационными пластинами 2, поддерживается на постоянном уровне, то температура теплоперехода 7, находящегося в тепловом контакте через контактные площадки 5 с холодными спаями 1 термоэлементов, понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на теплопереходе 7 будет зависеть от тепловой нагрузки на нем. Тепловая нагрузка складывается из теплопритока из окружающей среды, тепла от горячих контактов, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля, а также тепла, поступающего от объекта охлаждения. Теплоизоляция 9 служит для уменьшения теплопритока из окружающей среды, а также от поверхности ветвей ТЭБ.TEK in the refrigerator mode operates as follows. When a constant electric current is supplied through the thermopile, supplied from the electric energy source through the contact pads 10, between the switching plates 1 and 2, which are the contacts of the p- and n-type branches 3 and 4, a temperature difference arises due to the release of the same ends of the branches - even or odd patch plates, and absorption at other adjacent ends of the branches - odd or even patch plates, Peltier heat. With the polarity of the electric current indicated in FIG. 1, the ends of the branches in contact with the even switching plates 2 are heated and the ends of the branches in contact with the odd ones are cooled 1. If, due to the heat sink, the temperature of the heat transfer 8 is reached, with which the pads 6 are in contact with the soldered switching plates 2 is maintained at a constant level, then the temperature of the heat transfer 7 in thermal contact through the contact pads 5 with cold junctions 1 of the thermocouples will drop to a certain about meaning. For a given electric current, the magnitude of the decrease in temperature at the heat transfer 7 will depend on the heat load on it. The heat load consists of the heat influx from the environment, heat from hot contacts, due to the thermal conductivity of the thermopile forming branches, the Joule heat, as well as the heat coming from the cooling object. Thermal insulation 9 serves to reduce heat inflow from the environment, as well as from the surface of the thermopile branches.

ТЭБ в режиме термоэлектрического генератора функционирует следующим образом. При наличии источника тепла, нагревающего, например, теплопереход 7, а также имеющие с ним непосредственный тепловой контакт площадки 5 и коммутационные пластины 1, и системы, рассеивающей тепло с теплоперехода 8, площадок 6 и коммутационных пластин 2, между коммутационными пластинами 1 и 2 устанавливается некоторая разность температур. При наличии такой разности температур между коммутационными пластинами 1 и 2, осуществляющими контакт ветвей р- и n-типа 3 и 4, между контактными площадками 10 возникает разность потенциалов - термо-э.д.с., обусловленная эффектом Зеебека. При замыкании контактных площадок 10 на определенную электрическую нагрузку в образовавшейся цепи возникает постоянный электрический ток. Величина протекающего в цепи электрического тока зависит от значения термо-э.д.с., которая в свою очередь зависит от коэффициента термо-э.д.с. термоэлектрического материала, числа термоэлементов в ТЭБ, разности температур между коммутационными пластинами 1 и 2, и величины электрической нагрузки.The thermopile in the thermoelectric generator mode operates as follows. In the presence of a heat source heating, for example, heat transfer 7, as well as platforms 5 and connection plates 1 having direct thermal contact with it, and a system dissipating heat from heat transfer 8, areas 6 and connection plates 2, between connection plates 1 and 2 is installed some temperature difference. In the presence of such a temperature difference between the switching plates 1 and 2, which make contact between the p- and n-type branches 3 and 4, between the contact pads 10 there arises a potential difference - thermo-emf due to the Seebeck effect. When the contact pads 10 are shorted to a certain electrical load, a constant electric current arises in the formed circuit. The magnitude of the electric current flowing in the circuit depends on the value of thermo-emf, which in turn depends on the coefficient of thermo-emf. thermoelectric material, the number of thermocouples in the thermopile, the temperature difference between the switching plates 1 and 2, and the magnitude of the electrical load.

ЛитератураLiterature

1. Поздняков Б.С., Коптелов Е.А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974.1. Pozdnyakov BS, Koptelov EA Thermoelectric power. M .: Atomizdat, 1974.

Claims

A thermoelectric battery, consisting of semiconductor thermoelements connected in series by patch plates, each of which is formed by two branches made of p-type and n-type semiconductor, respectively, and p-type and n-type branches contact end surfaces respectively with two opposite the surfaces of the patch plate, the patch plates have a slightly larger area than the cross-sectional area of the branches, as a result of which they protrude beyond the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery, and the odd patch plates protrude beyond one surface of the structure, and the even patch plates protrude from the other, characterized in that the patch plates at their ends come into contact with electrically insulated pads made in the form of metal or alloy films deposited on highly conductive ceramic plates - heat transfer, and the free space limited by ceramic plates and the surface of the structure The ur formed by the branches of a thermoelectric battery is filled with thermal insulation.