RU2280920C2 - Thermoelectric battery - Google Patents

Thermoelectric battery Download PDF

Info

Publication number
RU2280920C2
RU2280920C2 RU2004118466/28A RU2004118466A RU2280920C2 RU 2280920 C2 RU2280920 C2 RU 2280920C2 RU 2004118466/28 A RU2004118466/28 A RU 2004118466/28A RU 2004118466 A RU2004118466 A RU 2004118466A RU 2280920 C2 RU2280920 C2 RU 2280920C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
holes
switching
plates
thermoelectric battery
type
Prior art date
Application number
RU2004118466/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004118466A (en
Inventor
Тагир Абдурашидович Исмаилов (RU)
Тагир Абдурашидович Исмаилов
Микаил Гаджимагомедович Вердиев (RU)
Микаил Гаджимагомедович Вердиев
Олег Викторович Евдулов (RU)
Олег Викторович Евдулов
Original Assignee
Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ)
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 Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ) filed Critical Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ)
Priority to RU2004118466/28A priority Critical patent/RU2280920C2/en
Publication of RU2004118466A publication Critical patent/RU2004118466A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2280920C2 publication Critical patent/RU2280920C2/en

Links

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

FIELD: thermoelectric battery mechanical design.
SUBSTANCE: proposed thermoelectric battery has semiconductor thermal cells connected in series to form electric circuit by means of switching wafers, each cell being formed by two p and n semiconductor legs, respectively. Legs are electrically interconnected through circuit set up of p switching wafer, n leg, where p leg comes in contact through butt-end surface with one of switching wafer surfaces and n leg, with other surface. Each leg contacts two opposing switching wafers through butt-end surfaces. Switching wafers have through holes. Holes made in even- and odd-numbered switching wafers are made in mutually perpendicular planes. Holes of all odd-numbered switching wafers are joined in tandem by means of insulating pipelines to form single channel that carries coolant when thermoelectric battery is operating. Holes of all even-numbered switching wafers are joined in tandem in the same manner to form second channel. Thermoelectric battery and pipelines are provided with heat insulation isolating them from environment.
EFFECT: enhanced temperature differential between cool and hot coolants.
1 cl, 1 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).

Известна 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 p- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем коммутация обеих ветвей (p- и n-типа) к коммутационной пластине производится к одной и той же плоской поверхности по краям последней. При этом термоэлемент имеет «П-образную» форму, где вертикальные элементы - p- и n-ветви, а горизонтальные - коммутационные пластины. Электрически последовательно соединенные коммутационными пластинами термоэлементы, образующие ТЭБ, заключены между двумя высокотеплопроводными электроизоляционными пластинами - теплопереходами (обычно керамическими).The thermopile is 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, and the switching of both branches (p- and n-type) to the patch plate is made to the same flat surface along the edges of the latter. In this case, the thermocouple has a "U-shaped" shape, where the vertical elements are p- and n-branches, and the horizontal ones are patch plates. Thermoelements that form thermopiles electrically connected in series by switching plates are enclosed between two highly thermally conductive insulating plates - heat transfers (usually ceramic).

Недостатками известной конструкции являются: наличие механических напряжений, обусловленных биметаллическим эффектом, значительных контактных электрических и тепловых сопротивлений (коммутационных пластин и теплопереходов), теплопритоков от горячих коммутационных пластин к холодным по межтермоэлементным промежуткам, снижающих эффективность функционирования ТЭБ, а также сложность эффективного съема тепла со спаев термоэлементов.The disadvantages of the known design are: the presence of mechanical stresses due to the bimetallic effect, significant contact electrical and thermal resistances (patch plates and heat transfers), heat influx from hot patch plates to cold at inter-element intervals, which reduce the efficiency of the thermopile, and the difficulty of efficient heat removal from junctions thermocouples.

Наиболее близкой к заявленной является ТЭБ, описанная в [2], состоящая из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно p- и n-типа, электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь p-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь p-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой, причем каждая ветвь контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами.Closest to the claimed one is the thermopile, described in [2], consisting of semiconductor thermoelements connected in series to the electric circuit via patch plates, each of which is formed by two branches made of p- and n-type semiconductor, respectively, the electrical connection of the branches is carried out by contact p-type branch - connection plate - n-type branch, where the p-type branch contacts the end surface with one of the surfaces of the connection plate, and the n-type branch - on the other wherein each branch is in contact with opposite end surfaces with two patch plates.

Известная ТЭБ не позволяет достичь значительного перепада температур при использовании теплоносителей.Known thermopile does not allow to achieve a significant temperature difference when using coolants.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание термоэлектрической батареи, лишенной указанных недостатков. Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является рост перепада температур между горячим и холодным теплоносителями.The problem to which the invention is directed is to create a thermoelectric battery devoid of these disadvantages. The technical result achieved by using the invention is to increase the temperature difference between hot and cold fluids.

Поставленная задача достигается тем, что в термоэлектрической батарее, состоящей из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно p- и n-типа, электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь p-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь p-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой, причем каждая ветвь контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами, коммутационные пластины имеют сквозные отверстия, причем отверстия в четных и нечетных коммутационных пластинах выполнены во взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом отверстия всех нечетных коммутационных пластин посредством электроизоляционных трубопроводов последовательно соединяются в один канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи протекает теплоноситель, а отверстия всех четных коммутационных пластин последовательно соединяются таким же образом во второй канал, при этом термоэлектрическая батарея и трубопроводы изолированы от окружающей среды теплоизоляцией.The problem is achieved in that in a thermoelectric battery consisting of semiconductor thermoelements connected in series to the electric circuit by means of connecting plates, each of which is formed by two branches made of a p- and n-type semiconductor, respectively, the electrical connection of the branches is carried out by contact type - patch plate - n-type branch, where the p-type branch contacts the end surface with one of the surfaces of the patch plate, and the n-t branch ipa, on the other hand, with each branch contacting opposite end surfaces with two connection plates, connection plates have through holes, and holes in even and odd connection plates are made in mutually perpendicular planes, while the holes of all odd connection plates are connected in series through electrical insulating conduits in one channel through which the coolant flows during the operation of the thermoelectric battery, and the opening Ia switching all even plates are connected sequentially in the same manner in the second channel, wherein the thermoelectric battery and piping are isolated from the surrounding environment thermally insulated.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена термоэлектрическая батарея.The invention is illustrated in the drawing, which shows a thermoelectric battery.

ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин 1 и 2 чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника p-типа 3 и n-типа 4. Электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь p-типа 3 - коммутационная пластина 1 или 2 - ветвь n-типа 4, где ветвь p-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.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 the opposite end surfaces with two patch plates 1 and 2.

Коммутационные пластины 1 и 2 имеют сквозные отверстия соответственно 5 и 6, выполненные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Отверстия 5 всех коммутационных пластин 1 посредством электроизоляционных трубопроводов последовательно 7 соединяются в единый канал, по которому в процессе функционирования ТЭБ протекает теплоноситель. Аналогичным образом объединяются в единый канал посредством электроизоляционных трубопроводов 8 отверстия 6 всех коммутационных пластин 2.The switching plates 1 and 2 have through holes 5 and 6, respectively, made in mutually perpendicular planes. The holes 5 of all the connecting plates 1 are connected in series through electrical insulating pipelines 7 into a single channel through which the coolant flows during the operation of the thermopile. In a similar way, holes 6 of all connection plates 2 are combined into a single channel through electrical insulating pipelines 8.

На крайней торцевой поверхности ветвей, находящихся соответственно в начале и конце ТЭБ, имеются контактные площадки 9, посредством которых осуществляется подвод к ТЭБ электрической энергии при работе последней в режиме термоэлектрического холодильника и отвод электрической энергии при работе ее в режиме термоэлектрического генератора. ТЭБ и трубопроводы 7 и 8 изолированы от окружающей среды за счет теплоизоляции 10.On the extreme end surface of the branches located respectively at the beginning and end of the thermopile, there are contact pads 9, through which electrical energy is supplied to the thermopile when the latter operates in the thermoelectric cooler mode and electric energy is removed when it is operated in the thermoelectric generator mode. Fuel cells and pipelines 7 and 8 are isolated from the environment due to thermal insulation 10.

ТЭБ в режиме термоэлектрического холодильника функционирует следующим образом.The thermopile in thermoelectric cooler mode operates as follows.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии (на фиг.1 не показан) через контактные площадки 9, между коммутационными пластинами 1 и 2, представляющими собой контакты ветвей p- и n-типа 3 и 4, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на фиг.1 полярности электрического тока происходят нагрев коммутационных пластин 2 и охлаждение коммутационных пластин 1. Соответственно имеет место нагрев теплоносителя, протекающего по каналу, образованному сквозными отверстиями 6 в коммутационных пластинах 2 и электроизоляционными трубопроводами 8, и охлаждение теплоносителя, протекающего по каналу, образованному сквозными отверстиями 5 в коммутационных пластинах 1 и электроизоляционными трубопроводами 7.When passing through the fuel cell a constant electric current supplied from an electric energy source (not shown in Fig. 1) through the contact pads 9, 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 heating plates 2 are heated and the switching plates 1 are cooled. Accordingly, the heat carrier flowing through the channel formed by the through holes 6 in the connection plates 2 and the insulating pipes 8 is heated and the heat carrier flowing through the channel is cooled formed by through holes 5 in the connection plates 1 and electrical insulating pipes 7.

Охлажденный теплоноситель используется для отвода тепла от объекта охлаждения, а нагретый - тем или иным образом обменивается теплом с окружающей средой.The cooled heat carrier is used to remove heat from the cooling object, and the heated one in one way or another exchanges heat with the environment.

ТЭБ в режиме термоэлектрического генератора функционирует следующим образом.The thermopile in the thermoelectric generator mode operates as follows.

При протекании, например по каналу, образованному отверстиями 6 в коммутационных пластинах 2 и электроизоляционными трубопроводами 8 теплоносителя с повышенной температурой и по каналу, образованному отверстиями в 5 коммутационных пластинах 1, и электроизоляционными трубопроводами 7 теплоносителя с пониженной температурой, между коммутационными пластинами 1 и 2 устанавливается некоторая разность температур. При наличии такой разности температур между коммутационными пластинами 1 и 2, осуществляющими контакт ветвей p- и n-типа 3 и 4 между контактными площадками 9 возникает разность потенциалов - термо-э.д.с., обусловленная эффектом Зеебека. При замыкании контактных площадок 9 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.When flowing, for example, through the channel formed by the openings 6 in the connecting plates 2 and the insulating pipes 8 of the heat carrier with an elevated temperature and through the channel formed by the holes in the 5 switching plates 1 and the electric insulating pipes 7 of the coolant with a lower temperature, between the connecting 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 9, a potential difference arises - thermo-emf due to the Seebeck effect. When the contact pads 9 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.

Заявляемая ТЭБ имеет следующие преимущества по сравнению с существующим аналогом:The inventive thermopile has the following advantages compared to the existing analogue:

1. Исключение механических напряжений, вызванных биметаллическим эффектом и, следовательно, повышение надежности ТЭБ.1. The exclusion of mechanical stresses caused by the bimetallic effect and, consequently, increase the reliability of the fuel cell.

2. В заявляемой конструкции в значительной мере уменьшаются перетоки тепла с горячих контактов на холодные контакты соседних ветвей ТЭБ.2. In the inventive design, heat flows from hot contacts to cold contacts of neighboring branches of the fuel and power unit are significantly reduced.

3. Коммутирующие пластины вследствие специфики исполнения контактов ТЭБ имеют намного меньшую толщину по направлению электрического тока, чем в аналоге, следствием чего является значительное уменьшение их электрических и термических сопротивлений и теплоемкостей, что дает возможность достигнуть более низких температур, а также уменьшает постоянную времени выхода на рабочий режим ТЭБ; кроме того, уменьшаются контактные электрические сопротивления.3. The commutation plates, due to the specific design of the thermopile contacts, have a much smaller thickness in the direction of the electric current than in the analogue, which results in a significant decrease in their electrical and thermal resistances and heat capacities, which makes it possible to achieve lower temperatures, and also reduces the exit time constant by fuel cell operating mode; In addition, contact electrical resistances are reduced.

4. В заявляемой конструкции могут быть использованы ветви различной длины, что дает возможность для более точного согласования таких параметров, как оптимальный ток и перепад температур для каждой пары ветвей p- и n-типа, следствием чего является повышение энергетической эффективности ТЭБ.4. In the claimed design, branches of various lengths can be used, which makes it possible to more accurately coordinate parameters such as the optimal current and temperature difference for each pair of p- and n-type branches, which results in an increase in the energy efficiency of thermopile.

5. Улучшенные условия теплообмена между коммутационными пластинами, объектом охлаждения и окружающей средой.5. Improved heat transfer conditions between the patch plates, the cooling object and the environment.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Л.: Наука, 1967.1. Kolenko EA Thermoelectric cooling devices. L .: Nauka, 1967.

2. Б.С.Поздняков, Е.А.Коптелов. Термоэлектрическая энергетика, М., Атомиздат, 1974 г., с.88, рис.5.132. B. S. Pozdnyakov, E. A. Koptelov. Thermoelectric power, M., Atomizdat, 1974, p. 88, fig. 5.13

Claims (1)

Термоэлектрическая батарея, состоящая из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно p- и n-типа, электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь p-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь p-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой, причем каждая ветвь контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами, отличающаяся тем, что коммутационные пластины имеют сквозные отверстия, причем отверстия в четных и нечетных коммутационных пластинах выполнены во взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом отверстия всех нечетных коммутационных пластин посредством электроизоляционных трубопроводов последовательно соединяются в один канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи протекает теплоноситель, а отверстия всех четных коммутационных пластин последовательно соединяются таким же образом во второй канал, при этом термоэлектрическая батарея и трубопроводы изолированы от окружающей среды теплоизоляцией.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, the electrical connection of the branches is carried out by means of the p-type branch - connection plate - n branch -type, where the p-type branch contacts the end surface with one of the surfaces of the patch plate, and the n-type branch contacts the other, with each contact branch it has opposite end surfaces with two connection plates, characterized in that the connection plates have through holes, and the holes in the even and odd connection plates are made in mutually perpendicular planes, while the holes of all the odd connection plates are connected in series into electrical channels by means of electrical conduits which during the operation of the thermoelectric battery flows coolant, and the holes of all even commu Discount plates are connected sequentially in the same manner in the second channel, wherein the thermoelectric battery and piping are isolated from the surrounding environment thermally insulated.
RU2004118466/28A 2004-06-18 2004-06-18 Thermoelectric battery RU2280920C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004118466/28A RU2280920C2 (en) 2004-06-18 2004-06-18 Thermoelectric battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004118466/28A RU2280920C2 (en) 2004-06-18 2004-06-18 Thermoelectric battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004118466A RU2004118466A (en) 2005-12-10
RU2280920C2 true RU2280920C2 (en) 2006-07-27

Family

ID=35868460

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004118466/28A RU2280920C2 (en) 2004-06-18 2004-06-18 Thermoelectric battery

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2280920C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2534433C2 (en) * 2013-01-09 2014-11-27 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) Thermoelectric battery

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ПОЗДНЯКОВ Б.С., КОПТЕЛОВ Е.А., Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, с.88, рис.5.13. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2534433C2 (en) * 2013-01-09 2014-11-27 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) Thermoelectric battery

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004118466A (en) 2005-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20040177876A1 (en) Spatially optimized thermoelectric module
RU2011104079A (en) SEPARATE THERMOELECTRIC STRUCTURE, DEVICES AND SYSTEMS IN WHICH THIS STRUCTURE IS USED
RU2280920C2 (en) Thermoelectric battery
RU2282274C2 (en) Thermo-electric battery
RU2282278C2 (en) Thermo-electric battery
RU2282275C2 (en) Thermo-electric battery
RU2312428C2 (en) Thermoelectric battery
RU2282277C2 (en) Thermo-electric battery
RU2335036C2 (en) Thermobattery
RU2280919C2 (en) Thermoelectric battery
RU2376685C1 (en) Thermoelectric battery
RU2269183C2 (en) Thermoelectric battery
RU2269184C2 (en) Thermoelectric battery
RU2376684C1 (en) Thermoelectric battery
RU2379790C1 (en) Thermoelectric battery
RU2312427C2 (en) Device for fixing parts by way of freezing
RU2282280C2 (en) Device for fastening parts by freezing method
RU2383084C1 (en) Thermoelectric battery
RU2380789C1 (en) Thermoelectric battery
RU2270495C2 (en) Method for ensuring normal operation of thermoelectric battery
RU2379793C1 (en) Thermoelectric battery
RU2376683C1 (en) Thermoelectric battery
RU2338300C1 (en) Thermo-electric battery
RU2376682C1 (en) Thermoelectric battery
JP2003273412A (en) Thermoelectric conversion device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080619