RU2376682C1

RU2376682C1 - Thermoelectric battery

Info

Publication number: RU2376682C1
Application number: RU2008150716/28A
Authority: RU
Inventors: Тагир Абдурашидович Исмаилов (RU); Тагир Абдурашидович Исмаилов; Олег Викторович Евдулов (RU); Олег Викторович Евдулов; Мурад Рабаданович Магомедов (RU); Мурад Рабаданович Магомедов; Денис Викторович Евдулов (RU); Денис Викторович Евдулов
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2009-12-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to thermoelectric instrument engineering, namely to thermoelectric battery (TEB) designs. According to the invention, the surface of structure formed by TEB lines is covered with thermal insulating dielectric material except for the places lying nearby to extended parts of commutation plates. An area not covered with a thermal insulation layer is equal to thermoelectric cell line thickness multiplied by 1/4 of its height. Not covered with thermal insulation surface is provided with longitudinal grooves. Heat is removed from hot commutation plates and from neighboring areas by fan due to forced air heat exchange. Heat is removed from cool commutation plates and neighboring areas by liquid pumping in liquid heat exchanger contacting with the above.

EFFECT: increased effectiveness of heat removal (supply).

3 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).

Прототипом изобретения является 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 ветви р-типа и n-типа контактируют торцевыми поверхностями соответственно с двумя противоположными поверхностями коммутационной пластины. Коммутационные пластины имеют несколько большую площадь, чем площадь поперечного сечения ветвей, вследствие чего они выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, причем нечетные коммутационные пластины выступают за одну поверхность структуры, а четные коммутационные пластины - за другую. Соответственно отвод и подвод теплоты осуществляется с выступающих частей коммутационных пластин за счет воздушного или жидкостного теплообмена.The prototype of the invention is the thermopile, 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 the thermocouples are interconnected by means of patch plates, the p-type and n-type branches contacting the end surfaces with two opposite surfaces of the connecting plate, respectively. The patch plates have a slightly larger area than the cross-sectional area of the branches, as a result of which they protrude beyond the surface of the structure formed by the thermopile branches, with the odd patch plates protruding over one surface of the structure, and the even patch plates over the other. Accordingly, heat is removed and supplied from the protruding parts of the switching plates due to air or liquid heat exchange.

Недостатком известной конструкции является отвод (подвод) теплоты только с поверхности выступающих частей коммутационных пластин, тогда как вследствие теплопроводности имеет место также нагрев (охлаждение) близлежащих к ним областей ветвей термоэлементов.A disadvantage of the known design is the removal (supply) of heat only from the surface of the protruding parts of the patch plates, while due to the thermal conductivity there is also heating (cooling) of the adjacent areas of the branches of thermocouples.

Целью изобретения является повышение эффективности отвода (подвода) теплоты с горячих (холодных) контактов ТЭБ за счет отвода (подвода) теплоты также и с близлежащих к ним областей ветвей термоэлементов.The aim of the invention is to increase the efficiency of removal (supply) of heat from the hot (cold) contacts of the fuel element due to the removal (supply) of heat also from neighboring areas of the branches of thermocouples.

Цель достигается тем, что поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, за исключением областей близлежащих к выступающим частям коммутационных пластин, покрыта слоем теплоизоляционного диэлектрического материала. Площадь, не покрытая слоем теплоизоляционного диэлектрического материала, определяется произведением толщины ветви термоэлемента на 1/4 ее высоты. Указанная поверхность, не покрытая слоем теплоизоляции, имеет профилированную боковую поверхность, выполненную с продольными канавками. Съем теплоты с горячих коммутационных пластин, а также с близлежащих к ним областей, осуществляется за счет принудительного воздушного теплообмена посредством вентилятора, а съем теплоты с охлажденных коммутационных пластин и близлежащих к ним областей производится за счет прокачивания жидкости в контактирующем с ними жидкостном теплообменнике.The goal is achieved in that the surface of the structure formed by the thermopile branches, with the exception of areas adjacent to the protruding parts of the connection plates, is covered with a layer of heat-insulating dielectric material. The area not covered by a layer of heat-insulating dielectric material is determined by the product of the thickness of the thermocouple branch by 1/4 of its height. The specified surface, not covered by a layer of thermal insulation, has a profiled side surface made with longitudinal grooves. Heat is removed from the hot connection plates, as well as from areas adjacent to them, by forced air heat exchange by means of a fan, and heat is removed from the cooled connection plates and areas adjacent to them by pumping liquid in the liquid heat exchanger in contact with them.

Конструкция термоэлектрической батареи приведена на фиг.1-3. 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 осуществляют 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 design of the thermoelectric battery is shown in Fig.1-3. TEB consists of alternating branches connected in series into 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 opposite end surfaces with two switching plates 1 and 2. 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 ends protrude beyond the surface of the structure formed by the branches of the 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.

Поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, за исключением областей близлежащих к выступающим частям коммутационных пластин 1 и 2, покрыта слоем теплоизоляционного диэлектрического материала 5. Площадь, не покрытая слоем теплоизоляционного диэлектрического материала 5, определяется произведением толщины ветви термоэлемента на 1/4 ее высоты. Указанная поверхность, не покрытая слоем теплоизоляции, имеет профилированную боковую поверхность, выполненную с продольными канавками 6 (вид сверху единичного термоэлемента с профилированной поверхностью показан на фиг.2).The surface of the structure formed by the thermopile branches, with the exception of areas adjacent to the protruding parts of the connecting plates 1 and 2, is covered with a layer of heat-insulating dielectric material 5. The area not covered by a layer of heat-insulating dielectric material 5 is determined by the product of the thickness of the thermoelement branch by 1/4 of its height. The specified surface, not covered with a layer of thermal insulation, has a profiled side surface made with longitudinal grooves 6 (a top view of a single thermocouple with a profiled surface is shown in figure 2).

Съем теплоты с горячих коммутационных пластин, а также с близлежащих к ним областей, осуществляется за счет принудительного воздушного теплообмена посредством вентилятора 7, а съем теплоты с охлажденных коммутационных пластин и близлежащих к ним областей производится за счет прокачивания жидкости в контактирующем с ними жидкостном теплообменнике 8.Heat is removed from the hot connection plates, as well as from areas adjacent to them, by forced air heat exchange by means of a fan 7, and heat is removed from the cooled connection plates and areas adjacent to them by pumping liquid in the liquid heat exchanger in contact with them 8.

ТЭБ функционирует следующим образом.TEB operates as follows.

При прохождении через ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии, 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 фиг.1 полярности электрического тока происходят нагрев нечетных коммутационных пластин 1 и охлаждение четных 2. Съем теплоты с горячих коммутационных пластин, а также с близлежащих к ним областей, осуществляется за счет принудительного воздушного теплообмена посредством вентилятора 7, а съем теплоты с охлажденных коммутационных пластин и близлежащих к ним областей производится за счет прокачивания жидкости в контактирующем с ними жидкостном теплообменнике 8.When a constant electric current supplied from an electric energy source passes through the thermopile, between the switching plates 1 and 2, which are contacts of the p- and n-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 odd patch plates 1 are heated and the even ones are cooled 2. Heat is removed from the hot patch plates, as well as from areas adjacent to them, due to forced air heat exchange via fan 7, and heat is removed from the cooled switching plates and areas adjacent to them is carried out by pumping liquid in contact with a liquid heat exchanger 8.

Повышение эффективности отвода теплоты с горячих и холодных контактов ТЭБ осуществляется за счет ее съема также и с близлежащих к коммутационным пластинам областей поверхности структуры, образованной ветвями ТЭБ. Причем за счет профилирования поверхности ветви термоэлемента, с которой осуществляется съем тепла, увеличивается коэффициент теплопередачи от нее к приемникам холода и тепла. Теплоизоляция 5 служит для уменьшения теплопритока из окружающей среды.An increase in the efficiency of heat removal from hot and cold contacts of a thermopile is carried out due to its removal also from regions of the structure surface formed by thermopile branches that are adjacent to the switching plates. Moreover, due to the profiling of the surface of the thermoelement branch, from which heat is removed, the coefficient of heat transfer from it to the heat and cold receivers increases. Thermal insulation 5 serves to reduce heat gain from the environment.

ЛитератураLiterature

1. Поздняков Б.С., Коптелов Е.А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974.1. Pozdnyakov BS, Koptelov EA Thermoelectric power. M .: Atomizdat, 1974.

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, and p-type and n-type branches contact end surfaces respectively with two opposite surfaces of the patch plate, patch plates have a slightly larger area than the cross-sectional area of the branches, as a result of which they protrude and the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery, characterized in that the surface of the structure formed by the branches of the thermoelectric battery, with the exception of areas adjacent to the protruding parts of the connection plates, is covered with a layer of heat-insulating dielectric material, and the area not covered by a layer of heat-insulating dielectric material having a profiled side the surface made with longitudinal grooves is determined by the product of the thickness of the thermocouple branch by 1/4 of its in heights, while heat is removed from the hot switching plates, as well as from areas adjacent to them, by forced air heat exchange by a fan, and heat is removed from the cooled switching plates and areas adjacent to them by pumping liquid in the liquid heat exchanger in contact with them .