RU2269184C2

RU2269184C2 - Thermoelectric battery

Info

Publication number: RU2269184C2
Application number: RU2003134615/28A
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: RU2003134615A

Abstract

FIELD: thermoelectric instrumentation engineering; thermoelectric batteries.

SUBSTANCE: proposed thermoelectric battery has semiconductor thermal cells connected in series-to form electric circuit by means of switching plates. Electrical connection of circuit branches is made by contacting p branch, switching plate, and n branch. These p and n branches are brought in contact through their end surfaces with two respective opposing surfaces. Surface area of switching plates is slightly greater than cross-sectional area of p and n branches so that some of their ends are protruding beyond surface structure formed by thermoelectric battery branches. Odd-numbered switching plates protrude beyond one surface of structure and even-numbered ones, beyond other surface. Protruding parts of switching plates are covered with shielding layer made of insulating material of high thermal conductivity. Surface ratio of protruding parts of even- and odd-numbered switching plates is found from equation

where S₂, S₁, α₁, α₂, T₂, T₁, are surface areas, coefficients of heat transfer between surfaces and their surrounding media, and averaged temperatures of protruding ends of even- and odd-numbered switching plates, respectively; T_a is ambient temperature; ε is refrigerating factor for thermoelectric battery running as refrigerator or for that running as thermogenerator.

EFFECT: eliminated risk of in-service electric shock, facilitated heat transfer between switching plates and cooled part, as well as between the former and heat dump.

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.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. Connection 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.

Недостатками известной конструкции являются определенный риск поражения электрическим током при эксплуатации, так как коммутационные пластины, по которым протекает электрический ток, не электроизолированы, а также неоптимальные для наиболее эффективного теплообмена с объектом охлаждения и системой теплосброса значения площадей выступающих частей коммутационных пластин.The disadvantages of the known design are a certain risk of electric shock during operation, since the connection plates through which electric current flows are not electrically insulated, and also the values of the areas of the protruding parts of the connection plates that are not optimal for the most efficient heat exchange with the cooling object and the heat transfer system.

Целью изобретения является устранения риска поражения электрическим током при эксплуатации ТЭБ, улучшение условий теплообмена между коммутационными пластинами и объектом охлаждения, а также системой теплосброса.The aim of the invention is to eliminate the risk of electric shock during the operation of thermopiles, improving the conditions of heat transfer between the switching plates and the cooling object, as well as the heat transfer system.

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. При этом выступающие части коммутационных пластин покрыты защитным слоем высокотеплопроводного диэлектрика. Отношение же площадей выступающих частей четных и нечетных коммутационных пластин определяется из соотношения: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 commutation 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. In this case, the protruding parts of the connection plates are covered with a protective layer of a highly heat-conducting dielectric. The ratio of the areas of the protruding parts of the even and odd patch plates is determined from the ratio:

где S₂, S₁, α₂, α₁, T₂, T₁ - соответственно площади, коэффициенты теплообмена поверхностей с окружающими их средами и усредненные температуры выступающих частей четных и нечетных коммутационных пластин, Т_cp - температура окружающей среды; ε - холодильный коэффициент термоэлектрической батареи при ее работе в качестве холодильника или коэффициент преобразования энергии в случае ее работы в качестве генератора электрической энергии.where S ₂ , S ₁ , α ₂ , α ₁ , T ₂ , T ₁ are the areas, the heat transfer coefficients of the surfaces with their environments and the average temperatures of the protruding parts of the even and odd patch plates, T _cp is the ambient temperature; ε is the refrigeration coefficient of a thermoelectric battery when it operates as a refrigerator or the energy conversion coefficient in the case of its operation as an electric energy generator.

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 осуществляется посредством контакта ветвь р-типа 3 - коммутационная пластина 1 или 2 - ветвь n-типа 4, где ветвь р-типа 3 контактирует торцевой поверхностью к одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа 4 - к противоположной. При этом каждая ветвь в ТЭБ контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами 1 и 2 за исключением токоподводящих ветвей. Коммутационные пластины 1 и 2 имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа 3 и 4, вследствие чего их части выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ. При этом части нечетных коммутационных пластин 1 выступают за одну поверхность структуры, а части четных коммутационных пластин 2 - за другую. Выступающие части коммутационных пластин покрыты защитным слоем высокотеплопроводного диэлектрика 5.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 contacts the end surface to one of the surfaces of the patch plate, and the n-type 4 branch to the opposite one. In this case, each branch in the thermopile is in contact with opposite end surfaces with two switching plates 1 and 2 with the exception of the current-carrying branches. The switching 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 parts protrude beyond the surface of the structure formed by the thermopile branches. Moreover, the parts of the odd patch plates 1 protrude beyond one surface of the structure, and the parts of the even patch plates 2 protrude from the other. The protruding parts of the connection plates are coated with a protective layer of a highly conductive dielectric 5.

Поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, покрыта слоем диэлектрического теплоизоляционного материала 6. На крайних торцевых поверхностях ветвей, находящихся соответственно в начале и конце ТЭБ, имеются контактные токоподводящие площадки 7 (токоотводящие в случае работы ТЭБ в режиме термогенератора).The surface of the structure formed by the thermopile branches is covered with a layer of dielectric heat-insulating material 6. On the extreme end surfaces of the branches located respectively at the beginning and end of the thermopile, there are contact current-conducting pads 7 (current-conducting in the case of thermopile operation in the thermogenerator mode).

ТЭБ в случае использования ее в режиме холодильника функционирует следующим образом.The fuel and energy complex, if used in the refrigerator mode, operates as follows.

При прохождении сквозь ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии через контактные площадки 7, между коммутационными пластинами 1 и 2, представляющими собой контакты ветвей р- и n-типа 3 и 4, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на фиг.1 полярности электрического тока происходит нагрев четных коммутационных пластин 2 и охлаждение нечетных 1. Если при этом за счет теплоотвода температура коммутационных пластин 2 поддерживается на постоянном уровне при заданном значении электрического тока, то температура коммутационных пластин 1 снизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на коммутационных пластинах будет зависеть от тепловой нагрузки на них. Тепловая нагрузка складывается из теплопритока из окружающей среды и от коммутационных пластин 2, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля, а также теплоты, поступающей от объекта охлаждения. Теплоизоляция 6 служит для уменьшения теплопритока из окружающей среды, а защитный слой высокотеплопроводного диэлектрика 5 - для устранения возможности поражения электрическим током при эксплуатации ТЭБ.When a constant electric current is supplied through the thermopile, supplied from the electric energy source through the contact pads 7, between the switching plates 1 and 2, which are the contacts of the p- and n-type branches 3 and 4, a temperature difference occurs due to the release and absorption of Peltier heat. With the polarity of the electric current indicated in FIG. 1, the even patch plates 2 are heated and the odd ones are cooled 1. If, due to the heat sink, the temperature of the patch plates 2 is kept constant at a given value of the electric current, then the temperature of the patch plates 1 will drop to a certain certain value . For a given electric current, the magnitude of the temperature decrease on the connection plates will depend on the heat load on them. The heat load consists of the heat influx from the environment and from the connecting plates 2, 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 6 is used to reduce heat inflow from the environment, and the protective layer of a highly conductive dielectric 5 is used to eliminate the possibility of electric shock during the operation of thermopiles.

ТЭБ в случае использования ее в режиме термогенератора функционирует следующим образом.The fuel and energy complex, if used in the thermogenerator mode, operates as follows.

При наличии источника тепла, нагревающего, например, четные коммутационные пластины 2, и системы, рассеивающей тепло с коммутационных пластин 1, 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 7 возникает разность потенциалов - термо-э.д.с., обусловленная эффектом Зеебека. При замыкании контактных площадок 7 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.In the presence of a heat source heating, for example, even switching plates 2, and a system dissipating heat from the switching plates 1, a certain temperature difference is established between the switching plates 1 and 2. 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, a potential difference arises between the contact pads 7 - the thermo-emf caused by the Seebeck effect. When the contact pads 7 are shorted to a certain electric 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 to the electrical circuit by means of connecting plates, each of which is formed by two branches made of p-type and n-type semiconductor, respectively, p-type and n-type branches are in contact with end surfaces, respectively, with two opposite surfaces patch plates, patch plates have a slightly larger area than the cross-sectional area of the branches, as a result of which they favor the structural 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 protruding parts of the patch plates are covered with a protective layer of a highly heat-conducting dielectric, the ratio of the areas of the protruding parts of the even and odd patch plates determined from the relation

where S ₂ , S ₁ , α ₁ , α ₂ , T ₂ , T ₁ , respectively, are the areas, heat transfer coefficients of surfaces with their environments and the average temperatures of the protruding parts of the even and odd patch plates, T _cf is the ambient temperature; ε is the refrigeration coefficient of a thermoelectric battery when it operates as a refrigerator or the energy conversion coefficient in the case of its operation as an electric energy generator.