RU2282278C2

RU2282278C2 - Thermo-electric battery

Info

Publication number: RU2282278C2
Application number: RU2004118467/28A
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: RU2004118467A

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 respectively made 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 contacts by its end surface one of surfaces of commutation plate, and n-type branch - another one. Each branch in thermo-electric battery contacts with two commutation plates by opposite end surfaces. Commutation plates have area, which is somewhat greater, than area of transverse section of branches of p- and n-type, due to which their ends project beyond surface of structure, formed by branches of thermo-electric battery. Ends of odd commutation plates project beyond one surface of structure, while ends of even commutation plates project beyond another one. Commutation plates in the part, which projects beyond surface of structure, formed by branches of thermo-electric battery, have through apertures. Apertures of all even commutation plates by means of pipelines, made of electro-isolating material, are connected in unified channel, along which during functioning of thermo-electric battery, heat carrier flows. Between apertures serially connected by pipelines in even(odd) commutation plates and apertures in odd(even) commutation plates, area for mating channel with heat carrier to freezing object is provided. Thermo-electric batteries and pipelines are isolated from environment due to thermo-isolation.

EFFECT: increased temperature drops.

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 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 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 p-type branch contacts the end surface with one of the surfaces of the connection plate, and n-type branch - with each other oh, and each branch is in contact with the opposite end surfaces with two patch 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 увеличение 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 thermal battery in a 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, при этом 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, причем, что концы нечетных коммутационных пластин выступают за одну поверхность структуры, а концы четных коммутационных пластин - за другую, коммутационные пластины в той части, которая выступает за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, имеют сквозные отверстия, соединенные посредством трубопроводов, выполненных из электроизоляционного материала, в единый канал, по которому в процессе функционирования термоэлектрической батареи протекает теплоноситель, причем канал образуется таким образом, что сначала посредством трубопроводов последовательно соединяются все отверстия в четных (нечетных) коммутационных пластинах, а затем также последовательно - отверстия в нечетных (четных) коммутационных пластинах, а между последовательно соединенными 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 теплоизоляцией.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 contacting the opposite end surfaces with two connection plates, while the 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, and the ends of the odd patch plates protrude beyond one surface of the structure, and the ends of the even patch plates protrude beyond the other, mutation plates in the part that protrudes beyond the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery have through holes connected by pipelines made of insulating material into a single channel through which the coolant flows during the operation of the thermoelectric battery, and the channel is formed in such a way that first all the holes in the even (odd) patch plates are connected in series via pipelines, and then also It is noteworthy that there are holes in the odd (even) patch plates, and between the series-connected holes in the even (odd) patch plates and holes in the odd (even) patch plates, there is an interface between the channel and the coolant and the cooling object, while the thermoelectric battery and pipelines are insulated insulated from the environment.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена конструкция ТЭБ. 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. Коммутационные пластины 1 и 2 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. Концы нечетных коммутационных пластин 1 выступают за одну поверхность структуры, а концы четных коммутационных пластин 2 - за другую.The invention is illustrated in the drawing, which shows the design of the thermopile. A fuel and energy complex consists of alternating branches connected in series into an 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 -, the n-type branch 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 opposite end surfaces with two switching plates 1 and 2. The switching plates 1 and 2 have a slightly larger area 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 branches of thermopile. The ends of the odd patch plates 1 protrude beyond one surface of the structure, and the ends of the even patch plates 2 protrude from the other.

Коммутационные пластины 1 и 2 в той части, которая выступает за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, имеют сквозные отверстия соответственно 5 и 6. Отверстия 5 и 6 всех коммутационных пластин посредством трубопроводов 7, выполненных из электроизоляционного материала, соединяются в единый канал, по которому в процессе функционирования ТЭБ протекает теплоноситель. Канал образуется таким образом, что сначала посредством 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 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 connection plates 1 and 2 in the part that protrudes beyond the surface of the structure formed by the thermopile branches have through holes 5 and 6, respectively. The holes 5 and 6 of all connection plates are connected through a pipe 7 made of an insulating material into a single channel through which in the process of functioning of the thermopile, the coolant flows. The channel is formed in such a way that first, through pipelines 7, all openings 5 in series in connection plates 1 are connected in series, and then also in series - openings 6 made in connection plates 2. Between serially connected pipelines 7, openings 5 in connection plates 1 and openings 6 in connection boxes plates 2 there is an interface area of the channel with the coolant 8 with 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 функционирует следующим образом.TEB operates as follows.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии (на фиг.1 не показан) через контактные площадки 10, между коммутационными пластинами 1 и 2, представляющими собой контакты ветвей р- и п-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 2 и охлаждение коммутационных пластин 1. При этом имеет место охлаждение теплоносителя при его протекании по части канала, образованной последовательно соединенными трубопроводами 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 трубопроводами 7 отверстиями 6 в коммутационных пластинах 2. Далее осуществляется охлаждение нагретого теплоносителя за счет естественного либо принудительного теплообмена с окружающей средой.When a constant electric current is supplied through the fuel cell, supplied from an electric energy source (not shown in Fig. 1) through the contact pads 10, between the switching plates 1 and 2, which are the contacts of the p- and p-type branches 3 and 4, a temperature difference occurs due to the release and absorption of Peltier heat. When the polarity of the electric current indicated in FIG. 1 occurs, the switch plates 2 are heated and the switch plates 1 are cooled. In this case, the coolant flows when it flows along the channel formed by consecutively connected pipelines 7 through openings 5 in the switch plates 1, and heat is removed from the cooling object 9 in the interface 8 and heating of the coolant in the channel formed by serially connected pipelines 7 holes 6 in the connecting plates 2. Next is carried out cooling of the heated coolant due to natural or forced heat exchange with 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. 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 коммутационными пластинами и объектом охлаждения, коммутационными пластинами и окружающей средой.5. Improved heat transfer conditions between the switch plates and the cooling object, switch plates and the environment.

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.5.132. 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, 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 the opposite end surfaces with two connection plates, while the 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, and the ends are odd patch plates protrude beyond one surface of the structure, and the ends of even patch plates protrude beyond the other, characterized in that the patch plates in the part that the second protrudes beyond the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery, has through holes connected by pipelines made of insulating material into a single channel through which the coolant flows during the operation of the thermoelectric battery, and the channel is formed in such a way that they are connected in series via pipelines all openings in even (odd) connection plates, and then also successively openings in odd (even) x) the connection plates, and between the series-connected openings of the holes in the even (odd) connection plates and the holes in the odd (even) connection plates there is an interface between the channel and the coolant and the cooling object, while the thermoelectric battery and pipelines are insulated from the environment by thermal insulation.