RU2377700C1

RU2377700C1 - Thermoelectric battery

Info

Publication number: RU2377700C1
Application number: RU2008150708/28A
Authority: RU
Inventors: Тагир Абдурашидович Исмаилов (RU); Тагир Абдурашидович Исмаилов; Олег Викторович Евдулов (RU); Олег Викторович Евдулов; Мадина Абдулаевна Хазамова (RU); Мадина Абдулаевна Хазамова; Денис Викторович Евдулов (RU); Денис Викторович Евдулов
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2009-12-27

Abstract

FIELD: heating systems.

SUBSTANCE: invention refers to thermoelectric instrument engineering, namely to designs of thermoelectric batteries (TEB). Essence of invention: surface of structure formed with thermoelectric battery branches, excluding the areas located close to protruding parts of commutation plates, is coated with heat-insulating dielectric material layer. Surface area not coated with heat-insulating dielectric material layer is equal to product of thermal element branch thickness by 1/4 of its height. Surface not coated with heat-insulating material layer is provided with transverse grooves. Removal of heat from commutation plates as well as from areas adjacent to them is performed due to forced air heat exchange by means of a fan.

EFFECT: increasing heat supply (discharge) efficiency.

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 p- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем ветви p-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 thermoelement branches are interconnected by means of connection 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 поперечными канавками. Съем теплоты с холодных и горячих коммутационных пластин и близлежащих к ним областей производится за счет принудительного воздушного теплообмена посредством вентиляторов.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 transverse grooves. Heat is removed from cold and hot connection plates and areas adjacent to them due to forced air heat exchange by means of fans.

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 p-типа 3 и n-типа 4. Электрическое соединение ветвей осуществляют посредством контакта ветвь p-типа 3 - коммутационная пластина 1 или 2 - ветвь n-типа 4, где ветвь p-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 p- 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. 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 electrical connection of the branches is carried out by means of the p-type branch 3 - switching plate 1 or 2 - the 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 connection plates 1 and 2. Connection 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 поперечными 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 transverse grooves 6 (a top view of a single thermocouple with a profiled surface is shown in figure 2).

Съем теплоты с холодных и горячих коммутационных пластин и близлежащих к ним областей производится за счет принудительного воздушного теплообмена посредством вентиляторов 7.Heat is removed from cold and hot connection plates and areas adjacent to them due to forced air heat exchange by means of fans 7.

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 p- и n-типа 3 и 4, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на фиг.1 полярности электрического тока происходит нагрев нечетных коммутационных пластин 1 и охлаждение четных 2. Съем теплоты с холодных и горячих коммутационных пластин осуществляется при использовании вентилятора 7. 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.When a direct electric current supplied from an electric energy source passes through the thermopile, 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. With the polarity of the electric current indicated in FIG. 1, the odd patch plates 1 are heated and the even ones are cooled 2. Heat is removed from the cold and hot connection plates using a fan 7. The heat removal efficiency from the hot and cold contacts of the thermopile is increased and from the surface areas of the structure formed by the thermopile branches that are adjacent to the connection 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 a thermoelectric battery, characterized in that the surface of the structure formed by the branches of the thermopile made with transverse grooves is determined by the product of the thickness of the thermocouple branch by 1/4 of its height, while the heat is removed Outlets from cold and hot connection plates and areas adjacent to them are made by forced air heat exchange by means of fans.