RU2310950C1 - Thermoelectric element - Google Patents
Thermoelectric element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2310950C1 RU2310950C1 RU2006117845/28A RU2006117845A RU2310950C1 RU 2310950 C1 RU2310950 C1 RU 2310950C1 RU 2006117845/28 A RU2006117845/28 A RU 2006117845/28A RU 2006117845 A RU2006117845 A RU 2006117845A RU 2310950 C1 RU2310950 C1 RU 2310950C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- electrodes
- film
- layers
- thermoelectric element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области технической физики и предназначено, в частности, для использования в электронике и в оптических системах детектирования и отображения информации.The invention relates to the field of technical physics and is intended, in particular, for use in electronics and in optical systems for detecting and displaying information.
Известны термоэлектрические устройства, основанные на эффекте Пельтье (патенты США №№3006979, 4859250, 3409475 и др.). Они выполнены из пары или множества пар электродов в виде столбиков материалов с разными коэффициентами Пельтье, которые смонтированы и скоммутированы так, чтобы соединения, по которым ток течет от электродов первого материала к электродам из второго, находились в одной плоскости, а соединения, по которым ток течет от вторых к первым, находились в другой плоскости, параллельной первой. Эти соединения находятся в тепловом контакте с поверхностью пластин, вторая поверхность которых является поверхностью теплообмена. При прохождении тока через эти устройства в области одной из плоскостей тепло поглощается, а в области другой выделяется. Подобные батареи элементов могут быть многокаскадными (патенты США №№5040381, 4833889, 5385022).Known thermoelectric devices based on the Peltier effect (US patent No. 3006979, 4859250, 3409475 and others). They are made of a pair or multiple pairs of electrodes in the form of columns of materials with different Peltier coefficients, which are mounted and connected so that the connections through which the current flows from the electrodes of the first material to the electrodes from the second are in the same plane, and the connections through which the current flowing from the second to the first, were in a different plane parallel to the first. These compounds are in thermal contact with the surface of the plates, the second surface of which is a heat transfer surface. When current flows through these devices in the region of one of the planes, heat is absorbed, and in the region of the other, it is released. Such battery cells can be multi-stage (US patent No. 5040381, 4833889, 5385022).
Недостатком этих устройств является громоздкость, ограничивающая или исключающая возможности их применения, неравномерность теплообмена по поверхности и трудоемкость изготовления.The disadvantage of these devices is cumbersome, limiting or excluding the possibility of their use, uneven heat transfer on the surface and the complexity of manufacturing.
Известен также тепловой прибор, состоящий из последовательно соединенных и находящихся в одной плоскости чередующихся полосок плоских электродов из материалов с разными коэффициентами Пельтье. Стыки пар, охлаждающиеся при прохождении тока, сгруппированы в терморегулируемой области, а стыки противоположного типа сгруппированы в области теплоотвода. Электроды выполнены из фольги меди и фольги константана (патент США №3607445).Also known is a thermal device, consisting of series-connected and in the same plane alternating strips of flat electrodes from materials with different Peltier coefficients. Joints of couples that cool during the passage of current are grouped in the temperature-controlled region, and joints of the opposite type are grouped in the region of heat removal. The electrodes are made of copper foil and constantan foil (US patent No. 3607445).
Недостатком его является неравномерность теплоотвода из-за малой площади поверхности теплообмена, которая ограничивается областью стыка электродов, а также низкая технологичность изготовления. Кроме того, большая площадь непрозрачных электродов ограничивает использование устройства в оптических приборах.Its disadvantage is the unevenness of the heat sink due to the small surface area of the heat transfer, which is limited by the area of the junction of the electrodes, as well as the low manufacturability. In addition, the large area of opaque electrodes limits the use of the device in optical devices.
Прототипом предлагаемого изобретения является термоэлемент в виде тонкопленочной термопары, нанесенной непосредственно на терморегулируемый элемент микрочипа (JP 11-015539), который отбирает от этого элемента тепло благодаря эффекту Пельтье. Размеры терморегулируемой области при этом сопоставимы с толщиной термоэлемента.The prototype of the invention is a thermocouple in the form of a thin-film thermocouple deposited directly on a temperature-controlled microchip element (JP 11-015539), which removes heat from this element due to the Peltier effect. The dimensions of the thermoregulated region are comparable with the thickness of the thermocouple.
Недостатком прототипа является расположение коммутационных площадок (контактов к пленочным слоям термопары) в терморегулируемой области, что приводит из-за выделения тепла на этих контактах (благодаря тому же эффекту Пельтье) к их нагреву и, следовательно, к возврату отведенного тепла в терморегулируемую область по механизму теплопроводности. При малых размерах объектов, для которых предложен термоэлемент, эффективность механизма теплопроводности особенно велика и сводит работу этого термоэлемента на нет. Непрозрачность электродов ограничивает использование устройства в оптических приборах.The disadvantage of the prototype is the location of the switching platforms (contacts to the film layers of the thermocouple) in the temperature-controlled region, which leads to the heating of these contacts (due to the same Peltier effect) and, therefore, to the return of the removed heat to the temperature-controlled region by the mechanism thermal conductivity. With small sizes of objects for which a thermocouple is proposed, the efficiency of the thermal conductivity mechanism is especially large and reduces the work of this thermocouple to nothing. The opacity of the electrodes limits the use of the device in optical instruments.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности теплоотвода, создание возможности отвода тепла от отдельных локальных зон терморегулируемого объекта без дополнительного нагрева соседних областей, а также расширение возможностей применения термоэлемента.The technical problem solved by the invention is to increase the efficiency of heat removal, creating the possibility of heat dissipation from individual local zones of a thermally controlled object without additional heating of neighboring areas, as well as expanding the possibilities of using a thermocouple.
Поставленная задача решается тем, что термоэлемент выполнен, в одном из вариантов, в виде двухслойной пленки, слои которой являются электродами и изготовлены из материалов с разными коэффициентами Пельтье. При прохождении тока в направлении от одной пленки к другой будет поглощаться (или выделяться) тепло по всей площади контакта слоев. Оба слоя при этом будут одновременно охлаждаться (или нагреваться), поэтому обе поверхности двухслойной пленки могут использоваться в качестве поверхностей теплообмена с терморегулируемым объектом. Геометрия пленочных слоев такова, что коммутационные площадки слоев (т.е. электрические контакты к слоям) находятся вне терморегулируемой области, чтобы исключить теплообмен между ними и термостабилизируемой областью по механизму теплопроводности. Тепло, поглощенное (или выделенное) в области терморегулирования, выделяется (или поглощается) на коммутационных площадках, а теплообмен между этими площадками и окружающей средой организуется любым известным способом. Расстояние, на которое предлагаемое устройство отводит тепло от терморегулируемой области, равно расстоянию от нее до коммутационных площадок и может быть выполнено сколь угодно большим (ограничение налагаются лишь вторичными причинами).The problem is solved in that the thermocouple is made, in one of the options, in the form of a two-layer film, the layers of which are electrodes and are made of materials with different Peltier coefficients. With the passage of current from one film to another, heat will be absorbed (or released) over the entire contact area of the layers. In this case, both layers will be simultaneously cooled (or heated), therefore, both surfaces of a two-layer film can be used as heat exchange surfaces with a temperature-controlled object. The geometry of the film layers is such that the switching pads of the layers (i.e., electrical contacts to the layers) are located outside the temperature-controlled region in order to exclude heat exchange between them and the temperature-stabilized region by the heat conduction mechanism. The heat absorbed (or released) in the field of thermoregulation is released (or absorbed) at the switching sites, and the heat exchange between these sites and the environment is organized by any known method. The distance by which the proposed device removes heat from the temperature-controlled region is equal to the distance from it to the switching platforms and can be made arbitrarily large (the restriction is imposed only by secondary reasons).
Расположение коммутационных площадок вне терморегулируемой области приводит к тому, что выделяющееся или поглощающееся на этих контактах при протекании тока тепло передается не терморегулируемому объекту, а окружающей среде. При этом тепло от нагретой зоны переносится не через соседние с этой зоной участки с попутным их нагревом, а в зону, находящуюся вне терморегулируемой области, например, непосредственно к радиатору внешнего теплообмена (то же и для подвода тепла).The location of the switching pads outside the temperature-controlled region leads to the fact that the heat released or absorbed at these contacts during the flow of current is transferred not to the temperature-controlled object, but to the environment. In this case, the heat from the heated zone is transferred not through the areas adjacent to this zone with their associated heating, but to the zone located outside the thermoregulated area, for example, directly to the external heat transfer radiator (the same for supplying heat).
Для повышения тепловой эффективности один или оба пленочных электрода выполняются из полупроводникового материала. В этом случае, для оптимизации свойств термоэлемента (например, для увеличения обратного тока образующегося р-n - перехода), смежные поверхности полупроводниковых пленок могут быть модифицированы или разделены пленкой третьего материала (например, для создания омического контакта).To increase thermal efficiency, one or both film electrodes are made of a semiconductor material. In this case, to optimize the properties of the thermocouple (for example, to increase the reverse current of the resulting pn junction), the adjacent surfaces of the semiconductor films can be modified or separated by a film of a third material (for example, to create an ohmic contact).
Область термостабилизации предлагаемого устройства равномерно распределена по всей площади контакта слоев. Сама область контакта слоев при этом отделена от терморегулируемой поверхности лишь тонким слоем пленочного электрода, что создает хорошие условия для теплообмена.The area of thermal stabilization of the proposed device is evenly distributed over the entire contact area of the layers. In this case, the contact region of the layers is separated from the temperature-controlled surface by only a thin layer of the film electrode, which creates good conditions for heat transfer.
Термоэлемент, состоящий из множества описанных выше элементов, коммутированных последовательно, параллельно или иным способом, расширяет возможности применения.A thermocouple, consisting of many of the elements described above, switched in series, parallel or otherwise, expands the possibilities of application.
Предлагаемая конструкция термоэлемента позволяет создать большую концентрацию единичных термоэлементов на терморегулируемой поверхности, что существенно для использования термоэлементов в составе различных датчиков и преобразователей (например, переменного тока в постоянный или интенсивности излучения в постоянный ток), а также для уменьшения тока питания батарей Пельтье при сохранении отводимой (подводимой) тепловой мощности.The proposed design of the thermocouple allows you to create a large concentration of single thermocouples on a thermoregulated surface, which is essential for the use of thermocouples as part of various sensors and converters (for example, alternating current to direct current or radiation intensity to direct current), as well as to reduce the power supply current of Peltier batteries while maintaining the discharge (input) thermal power.
Батарея, составленная из нескольких слоев (каскадов) таких термоэлементов, еще более увеличивает тепловой эффект. Электрические соединения между отдельными термоэлементами и слоями могут быть различными (последовательными, параллельными и др.) и осуществляются на коммутационных площадках.A battery composed of several layers (cascades) of such thermocouples further increases the thermal effect. Electrical connections between individual thermocouples and layers can be different (serial, parallel, etc.) and are carried out at the switching sites.
В многокаскадном варианте предлагаемое устройство работает не так, как в многокаскадных аналогах, где тепло передается от каскада к каскаду и отводимая мощность равна мощности самого слабого звена: здесь все каскады отводят тепло от терморегулируемого объекта к коммутационным площадкам, не передавая его друг другу, и отводимая мощность суммируется. Кроме того, предлагаемое устройство имеет низкую тепловую инерционность благодаря малой массе электродов.In the multi-stage version, the proposed device does not work in the same way as in multi-stage analogs, where the heat is transferred from the cascade to the cascade and the power taken is equal to the power of the weakest link: here all the cascades remove heat from the temperature-controlled object to the switching platforms without transferring it to each other, and the heat is removed power sums up. In addition, the proposed device has a low thermal inertia due to the low mass of the electrodes.
Для расширения возможностей использования, например, в оптических приборах пленочные электроды в предлагаемом устройстве могут быть выполнены из прозрачных материалов.To expand the possibilities of use, for example, in optical devices, film electrodes in the proposed device can be made of transparent materials.
Во всех вариантах исполнения предлагаемое устройство может применяться в качестве охладителя, нагревателя, датчика температуры или преобразователя.In all embodiments, the proposed device can be used as a cooler, heater, temperature sensor or converter.
На чертежах изображены варианты предлагаемого изобретения.The drawings depict variations of the invention.
Цифрами обозначены: 1 - устройство с терморегулируемым элементом; 2 - рабочая область (область терморегулирования); 3 - пленка р-типа; 4 - пленка n-типа; 5 - область коммутационных площадок; знаками «+» и «-» показаны полярности напряжения при охлаждении и нагревании (в скобках) объекта.The numbers denote: 1 - a device with a temperature-controlled element; 2 - work area (temperature control area); 3 - p-type film; 4 - n-type film; 5 - area of switching platforms; the signs “+” and “-” indicate the polarity of the voltage during cooling and heating (in brackets) of the object.
Фиг.1 - единичный термоэлемент с электродами из полупроводниковых материалов в разрезе.Figure 1 - a single thermocouple with electrodes of semiconductor materials in the context.
Фиг.2 - единичный термоэлемент с электродами из полупроводниковых материалов в плане.Figure 2 - a single thermocouple with electrodes of semiconductor materials in plan.
Фиг.3 - вариант с последовательным соединением термоэлементов.Figure 3 - option with a serial connection of thermocouples.
Примером конкретного исполнения предлагаемого изобретения в качестве охладителя может служить единичный термоэлемент, электроды которого выполнены в виде пленок оксида цинка n- и р-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,0001 ом·см на поверхности стекла с терморегулируемой (рабочей) областью квадратной формы 10 см на 10 см с продолжениями каждой из пленок (в один слой) шириной 1 см и длиной 5 см до коммутационных площадок, расположенных на радиаторе. Толщины пленок, нанесенных методом химического транспорта, составляют по 0,01 мм. Такой термоэлемент позволяет отводить от рабочей области 10 Вт тепла.An example of a specific embodiment of the invention as a cooler is a single thermoelement, the electrodes of which are made in the form of n- and p-type zinc oxide films with a specific resistance of 0.0001 ohm · cm on a glass surface with a temperature-controlled (working) square area of 10 cm 10 cm with extensions of each of the films (in one layer) 1 cm wide and 5 cm long to the switching platforms located on the radiator. The thickness of the films deposited by chemical transport is 0.01 mm. This thermocouple allows you to remove 10 watts of heat from the working area.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006117845/28A RU2310950C1 (en) | 2006-05-24 | 2006-05-24 | Thermoelectric element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006117845/28A RU2310950C1 (en) | 2006-05-24 | 2006-05-24 | Thermoelectric element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2310950C1 true RU2310950C1 (en) | 2007-11-20 |
Family
ID=38959559
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006117845/28A RU2310950C1 (en) | 2006-05-24 | 2006-05-24 | Thermoelectric element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2310950C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2528392C1 (en) * | 2013-03-01 | 2014-09-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" | Ic cooling device |
RU2575618C2 (en) * | 2013-10-22 | 2016-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Thermoelectric device with thin-film solid-state branches and increased heat removal surface |
RU168761U1 (en) * | 2016-09-20 | 2017-02-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Device for cooling secondary power supplies |
RU2650758C1 (en) * | 2017-03-06 | 2018-04-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Compact thermoelectric generator |
-
2006
- 2006-05-24 RU RU2006117845/28A patent/RU2310950C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2528392C1 (en) * | 2013-03-01 | 2014-09-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" | Ic cooling device |
RU2575618C2 (en) * | 2013-10-22 | 2016-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Thermoelectric device with thin-film solid-state branches and increased heat removal surface |
RU168761U1 (en) * | 2016-09-20 | 2017-02-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Device for cooling secondary power supplies |
RU2650758C1 (en) * | 2017-03-06 | 2018-04-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Compact thermoelectric generator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Omer et al. | Design optimization of thermoelectric devices for solar power generation | |
KR100997994B1 (en) | Thermoelectric Element | |
US20050087222A1 (en) | Device for producing electric energy | |
JP2006507690A (en) | Transformer thermoelectric device | |
Zhu et al. | Thin-film solar thermoelectric generator with enhanced power output: Integrated optimization design to obtain directional heat flow | |
JP4622577B2 (en) | Cascade module for thermoelectric conversion | |
CN106662374A (en) | Thermoelectric heating/cooling devices including resistive heaters | |
KR20150130168A (en) | Device using thermoelectric moudule | |
WO2018174173A1 (en) | Thermoelectric power generating module, thermoelectric power generating device using said thermoelectric power generating module, and temperature measuring method | |
RU2310950C1 (en) | Thermoelectric element | |
KR20230167330A (en) | Thermo electric element | |
Sahu et al. | Experimental characterization of hybrid solid-state and fluidic cooling for thermal management of localized hotspots | |
Park et al. | Adaptive thermoelectric cooling system for Energy-Efficient local and transient heat management | |
WO2021070434A1 (en) | Body-mounted cooling device | |
AU2018220031A1 (en) | Thermoelectric device | |
JP4927822B2 (en) | Formable Peltier heat transfer element and method for manufacturing the same | |
JPWO2018180131A1 (en) | Thermoelectric generation cell and thermoelectric generation module | |
KR101046130B1 (en) | Thermoelectric element | |
KR101177266B1 (en) | Heat Exchanger using Thermoelectric Modules | |
US20130160808A1 (en) | Thermoelectric generating apparatus and module | |
CA2910958A1 (en) | Thermoelectric device | |
Szobolovszky et al. | Waste heat recovery in solid-state lighting based on thin film thermoelectric generators | |
US20150316298A1 (en) | Thermoelectric Device And Method For Fabrication Thereof | |
KR20160066190A (en) | Self-generation cold and waterproof footwear features | |
Kandasamy et al. | Modelling of a thin film thermoelectric micro Peltier module |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170525 |