RU2282273C2

RU2282273C2 - Thermo-electric battery

Info

Publication number: RU2282273C2
Application number: RU2004118464/28A
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: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2006-08-20
Also published as: RU2004118464A

Abstract

FIELD: thermo-electric tool-making industry, in particular, engineering of cascade thermo-electric batteries.

SUBSTANCE: thermo-electric battery contains N cascades, each one of which consists of alternating branches, serially connected in electric circuit by means of commutation plates, which alternating branches are made respectively of p-type and n-type semiconductor. Electric connection of branches is realized by means of contact: p-type branch - commutation plate - n - type branch, where p-type branch is in contact with one of surfaces of commutation plate, and n-type branch - with opposite one. Commutation plates have area, which is somewhat greater, that area of transverse section of branches of p- and n-type, due to which their parts project beyond surface of structure, formed by branches of thermo-electric battery. Parts of commutation plates, forming cold contacts, project beyond one surface of structure, and parts of commutation plates, forming hot contacts - beyond another one. Electric contact between cascades is realized through edge cold commutation plates of previous cascade, simultaneously being hot communication plates for next cascade. Thermal contact of separate cascades is realized by mating of commutation plates of following cascade to commutation plates of previous cascade through highly thermo-conductive dielectric insert. From hot commutation plates off first cascade, heat is dumped into environment. Cold commutation plates of N-numbered cascade are mated with freezing object.

EFFECT: increased efficiency and reliability, simplified technology for manufacturing cascade thermo-electric battery.

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).

Известна 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 р- 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 thermopile is 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 p- and n- semiconductors, 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.The problem to which the invention is directed is to create a thermoelectric battery devoid of these disadvantages.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности и надежности, а также упрощение технологии изготовления ТЭБ.The technical result achieved by using the invention is to increase the efficiency and reliability, as well as simplifying the manufacturing technology of thermopiles.

Решение поставленной задачи с достижением указанного технического результата обеспечивается 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 р- 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 сопряжены с объектом охлаждения, а горячие контакты первого каскада - с теплообменным устройством, в каскадах электрическое соединение ветвей р- и n-типа осуществляется посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с противоположной, причем коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их части выступают за поверхность структуры, образованной ветвями р- и n-типа, причем части коммутационных пластин, образующих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а части коммутационных пластин, образующих горячие контакты, - за другую, при этом тепловой контакт каскадов осуществляется за счет сопряжения коммутационных пластин, образующих горячие контакты, последующего каскада с коммутационными пластинами, образующими холодные контакты, предыдущего каскада через высокотеплопроводную диэлектрическую прослойку, за исключением крайних для каждого каскада коммутационных пластин, которые одновременно являются холодными контактами предыдущего каскада и горячими контактами последующего каскада, осуществляя их электрическое соединение.The solution of this problem with the achievement of the specified technical result is ensured by the fact that in a thermoelectric battery consisting of N cascades of thermocouples formed in series by alternating branches made of p-type and n-type semiconductor, respectively, made of semiconductor, the thermoelectric battery is assembled so that the hot contacts of the subsequent cascade are brought into thermal contact with the cold contacts of the previous one, where the cold The contacts of the last (Nth) cascade are connected to the cooling object, and the hot contacts of the first cascade are connected to the heat exchange device, 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 switching plate - the n-type branch, 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 opposite side, and the patch plates have an area slightly larger than the cross-sectional area of the p- and n-type branches, and therefore parts protrude beyond the surface of the structure formed by p- and n-type branches, with parts of patch plates forming cold contacts protruding beyond one surface of the structure, and parts of patch plates forming hot contacts protruding beyond the other, with thermal contact of the cascades beyond due to the coupling of the switching plates forming the hot contacts of the subsequent cascade with the switching plates forming the cold contacts of the previous cascade through a highly heat-conducting dielectric layer, s Except for the extremes of each stage of the switching plates, which are simultaneously contacts preceding stage cold and hot contacts of the succeeding stage, carrying out their electrical connection.

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

ТЭБ содержит несколько (N) каскадов, каждый из которых 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 - 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 ветви р- и n-типа расположены в одной перпендикулярной к коммутационной пластине плоскости. 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 коммутационных пластин 2, осуществляющих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а части коммутационных пластин 1, осуществляющих горячие контакты, - за другую (другие).The thermopile contains several (N) cascades, each of which consists of series-connected alternating branches connected in series to the electric circuit by means of switching plates 1 and 2, made of p-type 3 and n-type 4 semiconductor, respectively. The electrical connection of the branches is carried out by contact type 3 - connection plate — an n-type 4 branch, where the p-type 3 branch contacts the end surface to one of the surfaces of the connection plate, and the n-type 4 branch contacts the opposite one, while the p- and n-type branches are located in one plane perpendicular to the connection plate. 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. In this case, parts of the connecting plates 2 carrying out cold contacts protrude beyond one surface of the structure, and parts of the connecting plates 1 carrying out hot contacts protrude from the other (others).

Электрический контакт между каскадами осуществляется через крайние коммутационные пластины 2 предыдущего каскада, одновременно являющиеся коммутационными пластинами 1 последующего каскада.Electrical contact between the cascades is carried out through the extreme switching plates 2 of the previous stage, which at the same time are the switching plates 1 of the subsequent stage.

Тепловой контакт отдельных каскадов осуществляется посредством сопряжения коммутационных пластин 1 последующего каскада с коммутационными пластинами 2 предыдущего каскада через высокотеплопроводную диэлектрическую прослойку 5. 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 производится съем тепла в окружающую среду за счет естественного, либо принудительного теплообмена. Коммутационные пластины 2 N-го каскада сопрягаются тем или иным образом с объектом охлаждения.The thermal contact of individual cascades is carried out by interconnecting the switching plates 1 of the subsequent cascade with the switching plates 2 of the previous cascade through a highly heat-conducting dielectric layer 5. In this case, the switching plates of the 1st Nth stage are interfaced with the switching plates of the 2nd (N-1) th cascade. 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, heat is removed to the environment due to natural or forced heat transfer. The connection plates 2 of the Nth stage are interfaced in one way or another with the cooling object.

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 р-и n-типа 3 и 4, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на чертеже полярности электрического тока происходит нагрев коммутационных пластин 1 и охлаждение коммутационных пластин 2. Для каскадной ТЭБ холодные коммутационные пластины 2 первого каскада в этом случае снимают тепло с горячих коммутационных пластин 1 второго каскада, холодные коммутационные пластины 2 второго каскада охлаждают горячие коммутационные пластины 1 третьего каскада и т.д., а холодные коммутационные пластины 2 N-го каскада понижают температуру объекта воздействия. При этом тепло с горячих коммутационных пластин 1 первого каскада рассеивается в окружающую среду за счет естественного, либо принудительного теплообмена.When a constant electric current supplied from an electric energy source passes through the thermopile, between the switching plates 1 and 2 of each cascade, which are contacts of p-type 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 the drawing, the switching plates 1 are heated and the connection plates 2 are cooled. For a cascade thermopile, cold switching plates 2 of the first stage in this case remove heat from the hot switching plates 1 of the second stage, and cold switching plates 2 of the second stage cool the hot switching plates 1 of the third stage, etc., and cold patch plates 2 of the Nth stage lower the temperature of the target. In this case, heat from the hot connection plates 1 of the first stage is dissipated into the environment due to natural or forced heat exchange.

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 р- 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. Уменьшение толщины коммутационных пластин, следствием чего является значительное уменьшение их электрических сопротивлений и теплоемкостей, что дает возможность достигнуть более низких температур, а также уменьшает длительность выхода ТЭБ на рабочий режим.6. Reducing the thickness of the connection plates, the consequence of which is a significant reduction in their electrical resistances and heat capacities, which makes it possible to achieve lower temperatures, and also reduces the duration of the thermopile's output to the operating mode.

7. Снижение материалоемкости - расхода материала полупроводников и коммутационных пластин.7. Decrease in material consumption - material consumption of semiconductors and patch 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 several (N) cascades of thermoelements formed in series by alternating branches made of p-type and n-type semiconductor, respectively connected to the electric circuit by means of connection plates, while the thermoelectric battery is assembled so that the hot contacts of 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 are associated with the cooling object, and the hot contacts of the first askada - with a heat 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 switching plate - the n-type branch, where the p-type branch contacts the end surface with one of the switching surfaces plates, and the n-type branch from the opposite, and the connecting plates have an area slightly larger than the cross-sectional area of the p- and n-type branches, as a result of which their parts protrude beyond the surface of the structure formed by the p- and n- branches IPA, with the parts of the connecting plates forming cold contacts protruding beyond one surface of the structure, and the parts of the connecting plates forming hot contacts beyond the other, while the thermal contact of the cascades is achieved by interfacing the connecting plates forming hot contacts, the subsequent cascade with the switching plates forming cold contacts of the previous cascade through a highly heat-conducting dielectric layer, with the exception of the end plates for each cascade of connection plates, which At the same time, they are cold contacts of the previous cascade and hot contacts of the subsequent cascade, making their electrical connection.