RU2282277C2

RU2282277C2 - Thermo-electric battery

Info

Publication number: RU2282277C2
Application number: RU2004118465/28A
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: RU2004118465A

Abstract

FIELD: engineering of thermo-electric batteries.

SUBSTANCE: thermo-electric battery consists of semiconductor thermo-elements, connected in electric circuit by means of commutation plates, each one of aforementioned thermo-elements is formed by two branches, made of semiconductor of resistor p- and n-type. Electric connection of branches is realized by contact: p-type branch - commutation plate - n-type branch, where p-type branch end surface is in contact with one of surfaces of commutation plate, and n-type branch - with another one. Each branch contacts two commutation plates by opposite end surfaces. Odd(even) commutation plates have area, which is somewhat greater, than area of transverse section of p- and n-type branches. Their ends project beyond surface of structure, formed by branches of thermo-electric battery. Free ends of odd(even) commutation plates are soldered to areas, electro-isolated from one another, made in form of films of metals or alloys, applied onto ceramic plate. Each even(odd) commutation plate in its central part has a through aperture. Apertures of all commutation plates by means of electro-isolation pipelines are joined in unified channel, along which during functioning of thermo-electric battery cooling liquid is pumped. Space, limited by ceramic plate and upper surface of structure, formed by branches of thermo-electric battery, is filled with electro-isolation. A layer of electro-isolation is also applied to remaining surface of thermo-electric battery.

EFFECT: increased temperature drops on thermo-battery and decreased metal consumption.

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. The thermoelements that form thermopiles electrically connected in series by switching plates are enclosed between two highly conductive electrical insulating plates — thermal junctions (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 с горячих 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 transfer), heat inflows 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 hot junctions of 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 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 на термобатарее за счет уменьшения перепада температур между горячими спаями и теплоносителем, отводящим тепло.The technical result achieved by using the invention is to increase the temperature difference on the thermal battery by reducing the temperature difference between the hot junctions and the heat carrier that removes heat.

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 осуществлено 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, при этом нечетные (четные) коммутационные пластины имеют площадь несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, нечетные (четные) коммутационные пластины припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину, а каждая четная (нечетная) коммутационная пластина в своей центральной части имеет сквозное отверстие, при этом отверстия всех четных (нечетных) коммутационных пластин посредством электроизоляцонных трубопроводов соединены в единый канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи прокачивается охлаждающая жидкость, а пространство, ограниченное керамической пластиной и верхней поверхностью структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, заполнено теплоизоляцией, которая также нанесена на оставшуюся поверхность термоэлектрической батареи.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 patch 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 - 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-type branch is on the other, each branch contacting opposite end surfaces with two connection plates, while the odd (even) connection plates have an area slightly larger than the cross-sectional area of the p- and n-type branches, as a result of which the ends protrude beyond the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery, the odd (even) patch plates are soldered to the areas electrically insulated from each other, made in the form of films of metals or alloys deposited on the ceramic plate, and each even (odd) switching plate in its central part has a through hole, while the holes of all even (odd) switching plates are connected through electrical insulating pipes into a single channel through which the cooling fluid is pumped during the operation of the thermoelectric battery, and the space bounded by the ceramic plate and the upper surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery is filled with thermal insulation, which It is also deposited on the remaining surface of the thermoelectric battery.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена термоэлетрическая 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 имеют площадь несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа 3 и 4, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ. Свободные концы коммутационных пластин 1 припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам 5, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину 6.The switching plates 1 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 ends protrude beyond the surface of the structure formed by the thermopile branches. The free ends of the connecting plates 1 are soldered to the electrically insulated from each other pads 5, made in the form of films of metals or alloys deposited on a ceramic plate 6.

При этом каждая коммутационная пластина 2 в своей центральной части имеет сквозное отверстие 7. Отверстия 7 всех коммутационных пластин 2 посредством электроизоляционных трубопроводов 8 соединяются в единый канал, по которому в процессе функционирования ТЭБ прокачивается охлаждающая жидкость.At the same time, each switching plate 2 in its central part has a through hole 7. The holes 7 of all switching plates 2 are connected by means of electrical insulation pipes 8 into a single channel through which coolant is pumped during the operation of the thermopile.

Пространство, ограниченное керамической пластиной 6 и верхней поверхностью структуры, образованной ветвями ТЭБ, заполнено теплоизоляцией 9. Слой теплоизоляции 9 также нанесен на оставшуюся поверхность ТЭБ. На крайней торцевой поверхности ветвей, находящихся соответственно в начале и конце ТЭБ имеются контактные площадки 10, посредством которых осуществляется подвод к ТЭБ электрической энергии.The space limited by the ceramic plate 6 and the upper surface of the structure formed by the thermopile branches is filled with thermal insulation 9. A thermal insulation layer 9 is also deposited on the remaining thermopile surface. 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.

ТЭБ функционирует следующим образом.TEB operates as follows.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии 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 этом необходимо соблюдать такую полярность электрического тока, при которой поглощение тепла происходило бы на коммутационных пластинах 1, а выделение - на коммутационных пластинах 2 (на фиг.1: плюс - к ветви n-типа 4, а минус - к ветви р-типа 3).When a constant electric current is passed through the fuel cell, supplied from the electric energy source through the contact pads 10, 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. In this case, it is necessary to observe such a polarity of the electric current that heat absorption would occur on the connection plates 1, and the release on the connection plates 2 (in Fig. 1: plus - to the n-type branch 4, and minus - to the p-type branch 3).

Если за счет прокачивания охлаждающей жидкости по каналу, образованному электроизоляционными трубопроводами 8 и сквозными отверстиями 7 в коммутационных пластинах 2, температуру последних поддерживать на постоянном уровне, то температура коммутационных пластин 1, а также связанных с ними электроизолированными площадками 5 и керамической пластины 6 понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на керамической пластине 6 будет зависеть от тепловой нагрузки на ней. Тепловая нагрузка складывается из теплопритока от окружающей среды, тепла от горячих коммутационных пластин 2, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля, а также тепла, поступающего от объекта охлаждения. Теплоизоляция 9 служит для уменьшения теплопритока из окружающей среды.If, by pumping coolant through the channel formed by the insulating pipes 8 and through holes 7 in the connection plates 2, the temperature of the latter is kept constant, then the temperature of the connection plates 1, as well as the associated electrical insulated areas 5 and ceramic plate 6, will drop to a certain a certain value. For a given electric current, the magnitude of the temperature decrease on the ceramic plate 6 will depend on the heat load on it. The heat load consists of the heat influx from the environment, the heat from the hot patch plates 2, due to the thermal conductivity of the thermopile-forming branches, the Joule heat, and also the heat coming from the cooling object. Thermal insulation 9 serves to reduce heat gain from the environment.

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. Уменьшается толщина теплопереходов - слой диэлектрического материала 6 имеет незначительную толщину.4. The thickness of the heat transfer is reduced - the layer of dielectric material 6 has a negligible thickness.

5. 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.5. 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-type and n-type branches, resulting in an increase in the energy efficiency of thermopile.

6. Улучшенные условия теплообмена между теплоносителем и коммутационной пластиной.6. Improved heat transfer conditions between the coolant and the patch plate.

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 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, the p- and n-type branches are electrically connected by contact - a switching plate is an n-type branch, where the p-type branch is in contact with the end surface from one of the surfaces of the switching plate, and the n-type branch is on the other, with each branch in contact with opposite end surfaces with two connection plates, the odd (even) connection plates have an area slightly larger than the cross-sectional area of the p- and n-type branches, as a result of which their ends protrude beyond the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery, different the fact that the odd (even) patch plates are soldered to electrically insulated from each other areas made in the form of films of metals or alloys deposited on a ceramic layer well, and each even (odd) connection plate in its central part has a through hole, while the holes of all even (odd) connection plates are connected by means of electrical insulation pipes into a single channel, through which the cooling fluid is pumped during the operation of the thermoelectric battery, space limited a ceramic plate and the upper surface of the structure formed by the branches of a thermoelectric battery is filled with thermal insulation, which is also applied to the remaining surface of the thermoelectric battery.