RU2280921C2

RU2280921C2 - Thermoelectric battery

Info

Publication number: RU2280921C2
Application number: RU2004120609/28A
Authority: RU
Inventors: Тагир Абдурашидович Исмаилов (RU); Тагир Абдурашидович Исмаилов; Микаил Гаджимагомедович Вердиев (RU); Микаил Гаджимагомедович Вердиев; Олег Викторович Евдулов (RU); Олег Викторович Евдулов
Original assignee: Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ)
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-07-27
Also published as: RU2004120609A

Abstract

FIELD: thermoelectric instrumentation engineering; cascaded thermoelectric batteries.

SUBSTANCE: proposed battery has N cascades, each incorporating alternating p and n semiconductor legs, respectively, series-connected into electric circuit by means of switching wafers. Legs are electrically connected into circuit set up of p leg, switching wafer, and n leg, where p leg contacts butt-end surface of one of switching wafer surfaces and n leg comes in contact with opposite one. Separate cascades are placed in thermal contact due to connection of switching wafers of next cascade to those of preceding cascade by means of hollow outwardly insulated coolant-carrying pipelines incorporating dielectric inserts, except for extreme ones, at all thermal joints of cascades. Pipelines are ribbed on top and bottom inner butt-end surfaces.

EFFECT: enhanced efficiency and reliability, facilitated manufacture.

1 cl, 1 dwg

Description

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

Прототипом изобретения является ТЭБ, описанная в [1]. ТЭБ содержит несколько (N) каскадов, состоящих из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов (ТЭ), каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводников соответственно p- и n-типа. Ветви ТЭ соединяются между собой посредством коммутационных пластин. Электрически последовательно соединенные коммутационными пластинами ТЭ, образующие ТЭБ, заключены между двумя высокотеплопроводными электроизоляционными пластинами - теплопереходами (обычно керамическими).The prototype of the invention is the thermopile, described in [1]. A fuel cell contains several (N) cascades consisting of semiconductor thermoelements (TE) 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 semiconductors p- and n-, respectively type. TE branches are interconnected by means of patch plates. The thermoelectric elements that are electrically connected in series by the switching plates of the TEs, which form the TEB, are enclosed between two highly conductive electrical insulating plates - heat transfers (usually ceramic).

ТЭБ собрана таким образом, что горячие спаи N-го каскада ТЭ опираются на холодные спаи (N-1)-го каскада ТЭ. Горячие спаи (N-1)-го каскада ТЭ опираются на холодные спаи (N-2)-го каскада ТЭ и т.д. Горячие спаи первого каскада ТЭ приводятся в тепловой контакт с теплообменным устройством, а холодные спаи N-го каскада ТЭ сопрягаются с объектом охлаждения. При такой конструкции холодные спаи (1-го) каскада ТЭ снимают тепло с горячих спаев второго каскада, холодные спаи второго каскада ТЭ охлаждают горячие спаи третьего и т.д., а холодные спаи N-го каскада ТЭ охлаждают объект воздействия.The fuel cell is assembled in such a way that the hot junctions of the N-th thermoelectric cascade rely on the cold junctions of the (N-1) -th thermoelectric cascade. Hot junctions of the (N-1) th TE cascade rely on cold junctions of the (N-2) th TE cascade, etc. Hot junctions of the first thermoelectric cascade are brought into thermal contact with a heat exchanger, and cold junctions of the Nth thermoelectric cascade mate with the cooling object. With this design, cold junctions of the (1st) TE cascade remove heat from the hot junctions of the second cascade, cold junctions of the second TE cascade cool the junctions of the third cascade, etc., and cold junctions of the Nth thermal cascade cool the target.

Недостатками известной конструкции являются недостаточная надежность работы каскадной ТЭБ, рассчитанной на большие токи питания, из-за значительных механических напряжений вследствие биметаллического эффекта; сложность ее технологической реализации; наличие значительных контактных электрических и тепловых сопротивлений.The disadvantages of the known design are the lack of reliability of the cascade thermopile designed for high power currents, due to significant mechanical stresses due to the bimetallic effect; the complexity of its technological implementation; the presence of significant contact electrical and thermal resistances.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание термоэлектрической батареи, лишенной указанных недостатков. Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности и надежности, а также упрощение технологии изготовления ТЭБ.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 efficiency and reliability, as well as simplifying the manufacturing technology of thermopiles.

Поставленная задача достигается тем, что в термоэлектрической батарее, состоящей из N каскадов термоэлементов, образованных последовательно соединенными в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующимися ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно p- и n-типа, при этом термоэлектрическая батарея собрана таким образом, что горячие контакты последующего каскада приводятся в тепловой контакт с холодными контактами предыдущего, где холодные контакты последнего N-го каскада сопрягаются с объектом охлаждения, а горячие контакты первого каскада - с теплообменным устройством, электрическое соединение ветвей p- и n-типа в каскадах 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 противоположной, причем тепловой контакт отдельных каскадов осуществляется за счет сопряжения горячих коммутационных пластин последующего каскада с холодными коммутационными пластинами предыдущего каскада посредством полых электроизолированных снаружи трубопроводов, содержащих диэлектрические вставки и заправленных теплоносителем, за исключением крайних в каждом каскаде, при этом на верхней и нижней внутренней торцевой поверхности трубопроводов имеется оребрение, а крайние коммутационные пластины на тепловых стыках всех каскадов выполнены сплошными.The problem is achieved in that in a thermoelectric battery consisting of N cascades of thermoelements formed in series by alternating branches made of p-and n-type semiconductor, respectively, connected to the electrical circuit by means of switching plates, while the thermoelectric battery is assembled so that the hot contacts the subsequent cascade are brought into thermal contact with the cold contacts of the previous one, where the cold contacts of the last Nth cascade mate with the object cooled and hot contacts of the first stage with the heat exchanger, the electrical connection of the p- and n-type branches in the cascades is carried out by contact of the p-type branch - the switching plate - the n-type branch, where the p-type branch contacts the end surface with one of surfaces of the connection plate, and the n-type branch is opposite, and the thermal contact of individual cascades is achieved by pairing the hot switching plates of the subsequent cascade with the cold switching plates of the previous cascade by means of hollow electrically insulated pipelines outside, containing dielectric inserts and filled with coolant, with the exception of the extreme ones in each cascade, with finning on the upper and lower inner end surfaces of the pipelines, and the extreme connecting plates on the thermal joints of all cascades are solid.

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

Тепловой контакт отдельных каскадов осуществляется за счет сопряжения коммутационных пластин 1 последующего каскада с коммутационными пластинами 2 предыдущего каскада посредством полых электроизолированных снаружи трубопроводов 5, заправленных теплоносителем 6, содержащих диэлектрические вставки 7, за исключением крайних на всех тепловых стыках каскадов. Крайние коммутационные пластины на тепловых стыках выполнены сплошными. При этом коммутационные пластины 1 N-го каскада сопрягаются с коммутационными пластинами 2 (N-1)-го каскада. Коммутационные пластины 1 (N-1)-го каскада сопрягаются с коммутационными пластинами 2 (N-2)-го каскада и т.д. С коммутационных пластин 1 первого каскада ТЭБ посредством трубопроводов 5 с теплоносителем 6 производится съем тепла в окружающую среду за счет естественного либо принудительного теплообмена. Коммутационные пластины 2 N-го каскада также через трубопроводы 5 с теплоносителем 6 сопрягаются тем или иным образом с объектом охлаждения.The thermal contact of individual cascades is achieved by interconnecting the switching plates 1 of the subsequent cascade with the switching plates 2 of the previous cascade by means of hollow electrically insulated pipelines 5 outside, filled with coolant 6 containing dielectric inserts 7, with the exception of the extremes on all thermal joints of the cascades. The extreme patch plates at the thermal joints are solid. In this case, the switching plates 1 of the Nth stage are interfaced with the switching plates of the 2nd (N-1 )th stage. The connection plates of the 1st (N-1) -th cascade are interfaced with the connection plates of the 2nd (N-1) -th cascade, etc. From the switching plates 1 of the first cascade of thermopiles, through pipelines 5 with a coolant 6, heat is removed to the environment due to natural or forced heat transfer. The switching plates 2 of the Nth stage also through the pipelines 5 with the coolant 6 are connected in one way or another with the cooling object.

Электрическое соединение каскадов осуществляется за счет выполнения крайних коммутационных пластин сплошными. Подвод электрической энергии к ТЭБ производится через контактные площадки 9.The electrical connection of the cascades is carried out by performing continuous switching plates solid. The supply of electrical energy to the fuel and energy unit is made through the contact pads 9.

На верхней и нижней внутренней торцевой поверхности трубопроводов 5 имеется оребрение 8.On the upper and lower inner end surface of the piping 5 there is a fin 8.

ТЭБ работает следующим образом.TEB works as follows.

При прохождении через ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии, между коммутационными пластинами 1 и 2 каждого каскада, 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 происходит нагрев коммутационных пластин 1 и охлаждение коммутационных пластин 2.When a constant electric current supplied from a source of electric energy passes through the thermopile, between the switching plates 1 and 2 of each stage, which are contacts of 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 connection plates 1 are heated and the connection plates 2 are cooled.

При тепловом контакте трубопроводов 5, одним концом связанных с коммутационными пластинами 2 N-го каскада, а другим концом - с объектом охлаждения, за счет выделения тепла последнего происходит кипение теплоносителя 6, его испарения и перемещение пара по трубопроводам 5 к поверхности коммутационных пластин 2 N-го каскада. На холодных коммутационных пластинах 2 N-го каскада происходит конденсация теплоносителя 6. Далее следует его стекание назад в зону нагрева (контакта трубопроводов 5 с объектом охлаждения). Диэлектрические вставки 7 обеспечивают электроизоляцию средних термоэлементов каскадов при одновременном обеспечении надежного теплового контакта между ними.When the pipelines 5 are in thermal contact, one end of the Nth stage connected to the switching plates 2, and the cooling object at the other end, the heat carrier 6 boils, evaporates, and the steam moves through the pipes 5 to the surface of the 2 N switching plates, due to heat release cascade. On the cold switching plates 2 of the Nth stage, the coolant 6 condenses. It then flows back to the heating zone (contact of pipelines 5 with the cooling object). Dielectric inserts 7 provide electrical insulation of the middle thermocouples of the cascades while ensuring reliable thermal contact between them.

При нагреве коммутационных пластин 1 N-го каскада за счет эффекта Пельтье происходит кипение теплоносителя 6 в трубопроводах 5, соединяющих коммутационные пластины 1 N-го каскада и коммутационные пластины 2 (N-1)-го каскада, его испарение и перемещение пара к поверхности коммутационных пластин 2 (N-1)-го каскада, где происходит его конденсация. Полученный конденсат стекает в зону нагрева - к поверхности коммутационных пластин 1 N-го каскада. Аналогичный процесс происходит в остальных трубопроводах, осуществляющих тепловой контакт каскадов ТЭБ. При этом трубопроводы 5 с теплоносителем 6, связанные одним концом с коммутационными пластинами 1 1-го каскада, другим концом тем или иным образом обмениваются теплом с окружающей средой. Крайние коммутационные пластины между стыками ТЭБ выполнены сплошными и одновременно выполняют функцию токоподводов к вышележащему каскаду.When the patch plates 1 of the Nth stage are heated due to the Peltier effect, the coolant 6 boils in the pipelines 5 connecting the patch plates 1 of the Nth stage and the patch plates of the 2nd (N-1) cascade, its evaporation and vapor transfer to the surface of the patch plates of the 2 (N-1) -th cascade, where it condensates. The resulting condensate flows into the heating zone - to the surface of the switching plates of the 1st Nth stage. A similar process occurs in the remaining pipelines that carry out thermal contact of the thermopile cascades. At the same time, pipelines 5 with heat carrier 6, connected at one end to the switching plates 1 of the 1st stage, the other end in one way or another exchange heat with the environment. The extreme connecting plates between the joints of the thermopile are solid and at the same time serve as current leads to the overlying cascade.

Оребрение 8 трубопроводов 5 интенсифицирует теплообмен между коммутационными пластинами 1, 2 и теплоносителем 6.The fins 8 of the pipelines 5 intensifies the heat transfer between the switching plates 1, 2 and the coolant 6.

Основными преимуществами заявляемой конструкции ТЭБ являются:The main advantages of the claimed design of thermopile are:

1. Возможность сборки припоем одной температуры плавления, а не «ступенчатыми» припоями с различными температурами плавления и соответственно с различными теплофизическими и механическими свойствами.1. The ability to assemble solder at one melting point, rather than "step" solders with different melting points and, accordingly, with different thermophysical and mechanical properties.

2. Упрощение технологии изготовления.2. Simplification of manufacturing technology.

3. Повышение надежности в работе за счет сведения к нулю биметаллических эффектов.3. Improving operational reliability by reducing to zero bimetal effects.

4. Обеспечение возможности изготовления каскадов батарей более 3-5 без осложнения конструкции и технологии их изготовления.4. Ensuring the possibility of manufacturing cascades of batteries more than 3-5 without complicating the design and technology of their manufacture.

5. Возможность использования ветви различной длины, что дает возможность 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.5. The possibility of using branches of various lengths, 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, resulting in an increase in the energy efficiency of thermopiles.

6. Снижение материалоемкости - расхода материала полупроводников и коммутационных пластин.6. Decrease in material consumption - material consumption of semiconductors and patch plates.

7. Использование теплоносителя позволит повысить эффективность передачи тепла от объекта охлаждения и системы теплосброса к коммутационным пластинам, а также между холодными и горячими коммутационными пластинами.7. The use of a coolant will increase the efficiency of heat transfer from the cooling object and the heat transfer system to the switching plates, as well as between cold and hot switching plates.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

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

Claims

A thermoelectric battery consisting of N cascades of thermoelements formed in series by alternating branches made of semiconductor p-type and n-type semiconductor, connected in series by means of connection plates, the thermoelectric battery being assembled so that the hot contacts of the subsequent stage are brought into thermal contact with cold contacts of the previous one, where the cold contacts of the last Nth cascade mate with the cooling object, and the hot contacts of the first cascade with m exchange device, characterized in that in the cascades the electrical connection of the p- and n-type branches is carried out by means of the contact of the p-type branch - the connection plate - the 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 is opposite, and the thermal contact of individual cascades is achieved by pairing the hot switching plates of the subsequent cascade with the cold switching plates of the previous cascade by means of hollow oizolirovannyh outside pipelines containing dielectric inserts and refilled coolant, except for the extreme in each stage, with the top and bottom of the inner end surface of pipelines has ribbing and extreme switching plate at all stages of thermal junctions formed solid.