RU2282275C2

RU2282275C2 - Thermo-electric battery

Info

Publication number: RU2282275C2
Application number: RU2004118469/28A
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: RU2004118469A

Abstract

FIELD: engineering of thermo-electric batteries.

SUBSTANCE: thermo-electric battery consists of alternating branches, serially connected in electric circuit by means of commutation plates, which branches are made respectively of semiconductor of p-type and n-type. Electric connection of branches is realized by means of contact: p-type branch - commutation plate - n-type branch, where p-type branch contacts by its end-surface one of surfaces of commutation plate, and n-type branch - another one. Each branch in thermo-electric battery contacts two commutation plates by opposite end surfaces. Commutation plates have through apertures, made in mutually perpendicular planes. Apertures of all commutation plates by means of electro-isolating pipelines are joined in unified channel, along which during functioning of thermo-electric battery heat carrier flows. Channel is formed in such a way, that firstly by means of electro-insulating pipelines all apertures in even(odd) commutation plates are connected, and then, also serially - all apertures, made in odd (even) commutation plates. Between apertures, serially connected by electro-isolating pipelines, in even(odd) commutation plates and apertures in odd(even) commutation plates, an area for mating channel with heat carrier to freezing object is provided. Thermo-electric battery and pipelines are isolated from environment due to thermal isolation.

EFFECT: increased temperature drops due to operation in regenerative mode.

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 р- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем коммутация обеих ветвей (р- 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 - р- 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 перепады температур между коммутационными пластинами и объектом охлаждения, коммутационными пластинами и системой теплосброса.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 inter-element intervals, which reduce the efficiency of the thermopile, as well as temperature differences between patch plates and cooling facility, patch plates, and heat dissipation system.

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 р- и n-типа, электрическое соединение ветвей 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 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 through the connection 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 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 contacts each other minutes, wherein each branch is in contact with opposed end surfaces of two switching plates.

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

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 перепада температур за счет работы термобатареи в регенеративном режиме.The technical result achieved by using the invention is to increase the temperature difference due to the operation of the thermopile in regenerative mode.

Решение поставленной задачи обеспечивается 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 р- и n-типа, электрическое соединение ветвей 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 другой, причем каждая ветвь в термоэлектрической батарее контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами, коммутационные пластины имеют сквозные отверстия, выполненные во взаимно перпендикулярных плоскостях и соединенные посредством электроизоляционных трубопроводов в единый канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи протекает теплоноситель, причем канал образуется таким образом, что сначала посредством электроизоляционных трубопроводов последовательно соединяются все отверстия в четных (нечетных) коммутационных пластинах, а затем также последовательно - отверстия в нечетных (четных) коммутационных пластинах, а между последовательно соединенными электроизоляционными трубопроводами отверстиями в четных (нечетных) коммутационных пластинах и отверстиями в нечетных (четных) коммутационных пластинах имеется область сопряжения канала с теплоносителем с объектом охлаждения, при этом термоэлектрическая батарея и трубопроводы изолированы от окружающей среды за счет теплоизоляции.The solution of this problem is ensured by the fact 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 branches are electrically connected by contact -type - connection plate - n-type branch, where the p-type branch contacts the end surface with one of the surfaces of the switching layer n, and the n-type branch is on the other, with each branch in the thermoelectric battery in contact with opposite end surfaces with two connection plates, the connection plates have through holes made in mutually perpendicular planes and connected by means of insulating pipes into a single channel through which of the thermoelectric battery functioning, the coolant flows, and the channel is formed in such a way that at first by means of an electrical insulating pipeline all openings in even (odd) connection plates are connected in series, and then also openings in odd (even) connection plates in series, and openings in even (odd) connection plates and openings in odd (even) connection plates between successively connected electrical insulating pipes there is an area where the channel is connected with the coolant with the cooling object, while the thermoelectric battery and pipelines are isolated from the environment due to heat isolation.

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 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 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 to 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 и 6 всех коммутационных пластин 1 и 2 посредством электроизоляционных трубопроводов 7 соединяются в единый канал, по которому в процессе функционирования ТЭБ протекает теплоноситель. Канал образуется таким образом, что сначала посредством электроизоляционных трубопроводов 7 последовательно соединяются все отверстия 5 в коммутационных пластинах 1, а затем также последовательно - отверстия 6, выполненные в коммутационных пластинах 2. Между последовательно соединенными электроизоляционными трубопроводами 7 отверстиями 5 в коммутационных пластинах 1 и отверстиями 6 в коммутационных пластинах 2 имеется область сопряжения канала с теплоносителем 8 с объектом охлаждения 9.The switching plates 1 and 2 have through holes 5 and 6, respectively, made in mutually perpendicular planes. Holes 5 and 6 of all the connecting plates 1 and 2 are connected by means of electrical insulating pipelines 7 into a single channel through which the coolant flows during the operation of the thermopile. The channel is formed in such a way that first, through the electrical insulating pipelines 7, all openings 5 in the connection plates 1 are connected in series, and then also the openings 6 made in the connecting plates 2 in series. Between the electrical-connected piping 7 connected in series to the openings 5 in the connecting plates 1 and the openings 6 in the connecting plates 2 there is an interface area between the channel and the coolant 8 and the cooling object 9.

На крайней торцевой поверхности ветвей, находящихся соответственно в начале и конце ТЭБ, имеются контактные площадки 10, посредством которых осуществляется подвод к ТЭБ электрической энергии. ТЭБ и трубопроводы 7 изолированы от окружающей среды за счет теплоизоляции 11.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 energy is supplied to the thermopile. Fuel and energy pipes and pipelines 7 are isolated from the environment due to thermal insulation 11.

ТЭБ работает следующим образом.TEB works as follows.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии (не показан) 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 и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на чертеже полярности электрического тока происходит охлаждение коммутационных пластин 1 и нагрев коммутационных пластин 2. При этом имеет место охлаждение теплоносителя при его протекании по части канала, образованной последовательно соединенными шлангами 7 отверстиями 5 в коммутационных пластинах 1, отвод тепла от объекта охлаждения 9 в области сопряжения 8 и нагрев теплоносителя в части канала, образованной последовательно соединенными электроизоляционными трубопроводами 7 отверстиями 6 в коммутационных пластинах 2. Далее осуществляется охлаждение нагретого теплоносителя за счет естественного либо принудительного теплообмена с окружающей средой посредством системы теплосброса.When a constant electric current is supplied through the fuel cell, supplied from an electric energy source (not shown) through the contact pads 10, between the connection 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 and absorption of Peltier heat. When the polarity of the electric current indicated in the drawing is observed, the cooling plates 1 are cooled and the switching plates 2 are heated. In this case, the coolant flows when it flows along the part of the channel formed by the 5 openings in the connection plates 7 in the connection plates 1, heat is removed from the cooling object 9 to the interface area 8 and heating of the coolant in the part of the channel formed by series-connected electrical insulating pipelines 7 holes 6 in the connection plates 2. Yes it cools the heated coolant by natural or forced heat exchange with the environment through teplosbrosa system.

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, as well. also reduces the time constant for reaching the operating mode of thermopile; 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 р- 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 объектом охлаждения и коммутационными пластинами, а также коммутационными пластинами и окружающей средой.5. Improved heat exchange conditions between the cooling object and the connection plates, as well as the connection plates and the environment.

6. Предложенная схема коммутации по каналу теплоносителя позволяет использовать ТЭБ в регенеративном режиме, за счет чего достигается ее максимальная холодопроизводительность.6. The proposed switching scheme for the coolant channel allows the use of thermopile in the regenerative mode, due to which its maximum cooling capacity is achieved.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Бурштейн А.И. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств. М.: Физматгиз, 1962.1. Burshtein A.I. Physical basis for calculating semiconductor thermoelectric devices. M .: Fizmatgiz, 1962.

2. Б.С.Поздняков, Е.А.Коптелов, Термоэлектрическая энергетика, М.: Атомиздат, 1974 г., с.88, рис.5.13.2. B. S. Pozdnyakov, E. A. Koptelov, Thermoelectric power engineering, Moscow: Atomizdat, 1974, p. 88, fig. 5.13.

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, 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 is in contact with the end surface from one of the surfaces of the patch plate, and the n-type branch is on the other, with each branch in thermo the electric battery is in contact with opposite end surfaces with two connection plates, characterized in that the connection plates have through holes made in mutually perpendicular planes and connected by means of insulating pipes into a single channel through which the coolant flows during the operation of the thermoelectric battery, and the channel is thus formed that at first through electrical insulating pipelines are connected in series in all holes in the even (odd) patch plates, and then also in series - holes in the odd (even) patch plates, and there is a mating area between the holes in the even (odd) patch plates and the holes in the odd (even) patch plates a channel with a coolant with an object of cooling, while the thermoelectric battery and pipelines are isolated from the environment due to thermal insulation.