RU2649068C1

RU2649068C1 - Thermoelectric transformer of constant voltage

Info

Publication number: RU2649068C1
Application number: RU2017101047A
Authority: RU
Inventors: Вадим Иванович Костылев
Original assignee: Вадим Иванович Костылев
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-03-29

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: thermoelectric transformer is designed to convert constant voltage of one value into another with galvanic isolation without intermediate conversion of primary voltage to alternating voltage. This thermoelectric constant-voltage transformer contains radiator and three thermoelectric modules, electrical terminals of the first module are connected to the primary source of the direct voltage, and the second – to the output. Surface of the first heat exchange plate of the first thermoelectric module is thermally coupled to the surface of the first heat exchange plate of the second thermoelectric module. Surfaces of the second heat exchange plates of the first and second thermoelectric modules are connected through a heat conductor, on which a heat exchange surface is formed connected to the surface of the first heat exchange plate of the additionally introduced third thermoelectric module. Surface of the second heat transfer plate of this module is connected to the radiator, and its electrical terminals are additional output terminals.

EFFECT: technical result is to increase efficiency of transformer.

3 cl, 2 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области электротехники, а точнее к устройствам преобразования постоянного напряжение в постоянное и предназначено для применения в тех случаях, когда для питания электронного узла требуется гальванически развязанное напряжение, отличное по уровню от первичного источника и с полным отсутствием каких-либо помех, неизбежно возникающих в традиционных преобразователях. Например, для питания особо высокочувствительных инфракрасных детекторов, когда качество напряжение превалирует над коэффициентом полезного действия (КПД) преобразователя.The present invention relates to the field of electrical engineering, and more specifically to devices for converting direct voltage to constant voltage and is intended for use in cases where the power of the electronic node requires galvanically isolated voltage, different in level from the primary source and with the complete absence of any interference, is inevitable arising in traditional converters. For example, to power particularly highly sensitive infrared detectors, when the quality of the voltage prevails over the efficiency (efficiency) of the converter.

В настоящее время построение таких преобразователей возможно на основе термоэлектрических модулей (модулей Пельтье), представляющих собой законченное устройство в виде набора полупроводниковых термопар, определенным образом электрически соединенных между собой, причем термически холодные спаи термопар связаны с одной теплообменной пластиной, а горячие соответственно с другой пластиной, расположенной напротив первой. Пластины изготавливаются, как правило, из керамики с очень высокой теплопроводностью, обеспечивающей эффективный теплообмен, и высоким удельным сопротивлением, позволяющим создать гальваническую развязку требуемого качества. Современная промышленность производит такие модули с различным числом термопар, рассчитанных на широкий диапазон как токов, так и напряжений.Currently, the construction of such converters is possible on the basis of thermoelectric modules (Peltier modules), which are a complete device in the form of a set of semiconductor thermocouples, in a certain way electrically connected to each other, moreover, thermally cold junctions of thermocouples are connected to one heat-exchange plate, and hot, respectively, to another plate located opposite the first. Plates are made, as a rule, of ceramics with very high thermal conductivity, which ensures efficient heat transfer, and high resistivity, which allows creating galvanic isolation of the required quality. Modern industry produces such modules with a different number of thermocouples, designed for a wide range of both currents and voltages.

Одно из устройств, способное решить поставленную задачу, описано в [1]. В нем напряжение, которое может быть и постоянным, подается на омический нагреватель, повышающий температуру термически связанной с ним теплообменной пластины термоэлектрического модуля. Вторая теплообменная пластина модуля охлаждается. Благодаря разности температур холодных и горячих спаев возникает эффект Зеебека, и на выходе термоэлектрического модуля появляется напряжение, значение которого, в соответствии с требуемым коэффициентом трансформации, может быть подобрано за счет числа термопар в модуле.One of the devices capable of solving the problem is described in [1]. In it, a voltage, which can be constant, is supplied to an ohmic heater, which increases the temperature of the thermally connected heat exchange plate of the thermoelectric module. The second heat exchange plate of the module is cooled. Due to the temperature difference between cold and hot junctions, the Seebeck effect occurs, and a voltage appears at the output of the thermoelectric module, the value of which, in accordance with the required transformation coefficient, can be selected due to the number of thermocouples in the module.

В [2] описан более эффективный термоэлектрический трансформатор постоянного напряжения из двух термоэлектрических модулей, в котором больший перепад температур на теплообменных пластинах выходного термоэлектрического модуля, использующего также эффект Зеебека, создается за счет второго термоэлектрического модуля, одна из теплообменных пластин которого термически соединена с одной из теплообменных пластин первого. Вторые теплообменные пластины обоих модулей соединены с радиаторами. Первичное постоянное напряжение подается на второй термоэлектрический модуль, и разность температур его теплообменных пластин, появляющаяся из-за эффекта Пельтье, передается на выходной термоэлектрический модуль.[2] described a more efficient thermoelectric constant voltage transformer of two thermoelectric modules, in which a larger temperature difference on the heat exchanger plates of the output thermoelectric module, which also uses the Seebeck effect, is created by the second thermoelectric module, one of the heat exchange plates of which is thermally connected to one of heat transfer plates first. The second heat transfer plates of both modules are connected to radiators. The primary constant voltage is supplied to the second thermoelectric module, and the temperature difference of its heat exchange plates, which appears due to the Peltier effect, is transmitted to the output thermoelectric module.

Однако рассматриваемый термоэлектрический трансформатор постоянного напряжения, принятый за прототип, также обладает невысоким КПД. Часть энергии, потребляемой от источника первичного постоянного напряжения, благодаря эффектам Пельтье и Зеебека превращается в полезную энергию на выходе второго термоэлектрического модуля, но большая ее часть в виде джоулевых потерь на сопротивлениях термопар бесполезно рассеивается в окружающем пространстве.However, the considered thermoelectric constant voltage transformer, adopted as a prototype, also has a low efficiency. Part of the energy consumed from the source of primary DC voltage, due to the Peltier and Seebeck effects, is converted into useful energy at the output of the second thermoelectric module, but most of it in the form of Joule losses on the resistance of thermocouples is uselessly dissipated in the surrounding space.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение КПД термоэлектрического трансформатора постоянного напряжения.The problem to which the present invention is directed is to increase the efficiency of a thermoelectric constant voltage transformer.

Поставленная задача решается за счет того, что в термоэлектрическом трансформаторе постоянного напряжения, содержащем радиатор и два термоэлектрических модуля, причем электрические выводы первого модуля подключены к первичному источнику постоянного напряжения, а выводы второго - выходные, поверхность первой теплообменной пластины первого термоэлектрического модуля термически соединена с поверхностью первой теплообменной пластины второго термоэлектрического модуля, сделано следующее. Поверхности вторых теплообменных пластин первого и второго теплоэлектрических модулей термически соединены через теплопровод, на котором образована теплообменная поверхность, соединенная с поверхностью первой теплообменной пластины дополнительно введенного третьего термоэлектрического модуля, при этом поверхность второй теплообменной пластины этого модуля термически соединена с радиатором. Электрические выводы третьего дополнительно введенного термоэлектрического модуля являются дополнительными выходными. Кроме того, поверхность первой теплообменной пластины первого термоэлектрического модуля термически может быть соединена с поверхностью первой теплообменной пластины второго термоэлектрического модуля с помощью теплопровода. На поверхность блока с двумя термоэлектрическими модулями может быть нанесена термоизоляция.The problem is solved due to the fact that in a thermoelectric DC transformer containing a radiator and two thermoelectric modules, the electrical terminals of the first module are connected to the primary DC voltage source, and the terminals of the second are output, the surface of the first heat exchange plate of the first thermoelectric module is thermally connected to the surface the first heat exchange plate of the second thermoelectric module, the following is done. The surfaces of the second heat exchange plates of the first and second thermoelectric modules are thermally connected through a heat pipe on which a heat exchange surface is formed, connected to the surface of the first heat exchange plate of an additionally introduced third thermoelectric module, while the surface of the second heat exchange plate of this module is thermally connected to the radiator. The electrical terminals of the third additionally introduced thermoelectric module are additional outputs. In addition, the surface of the first heat transfer plate of the first thermoelectric module can be thermally connected to the surface of the first heat transfer plate of the second thermoelectric module using a heat conduit. Thermal insulation can be applied to the surface of a block with two thermoelectric modules.

КПД предлагаемого термоэлектрического трансформатора выше чем у прототипа, потому что помимо полезной энергии, получаемой преобразованиями на эффектах Пельтье-Зеебека с помощью двух первых модулей, вырабатывается еще и дополнительная полезная энергия введенным третьим термоэлектрическим модулем, использующим эффект Зеебека, путем преобразования части тепловой энергии, обусловленной потерями Джоуля в сопротивлениях модулей, ранее бесполезно рассеиваемой в пространстве. Выходные выводы первого и дополнительного модулей могут быть подключены к раздельным нагрузкам или к общей при согласно последовательном их соединении, либо параллельно.The efficiency of the proposed thermoelectric transformer is higher than that of the prototype, because in addition to the useful energy obtained by the Peltier-Seebeck transformations using the first two modules, additional useful energy is also generated by the introduced third thermoelectric module using the Seebeck effect by converting part of the thermal energy caused by Joule losses in module resistances, previously uselessly scattered in space. The output terminals of the first and additional modules can be connected to separate loads or to a common one according to their serial connection, or in parallel.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображен термоэлектрический трансформатор постоянного напряжения в разрезе.In FIG. 1 shows a thermoelectric transformer of constant voltage in section.

На фиг. 2 показан вариант термоэлектрического трансформатора постоянного напряжения в разрезе с упрощенной конструкцией теплопроводов.In FIG. 2 shows a variant of a thermoelectric constant voltage transformer in section with a simplified design of heat conduits.

Предлагаемый термоэлектрический трансформатор постоянного напряжения устроен следующим образом (см. фиг. 1).The proposed thermoelectric constant voltage transformer is arranged as follows (see Fig. 1).

Первый термоэлектрический модуль 1 поверхностью своей первой теплообменной пластины 2 термически соединен с поверхностью первой теплообменной пластиной 3 второго термоэлектрического модуля 4. Поверхность второй теплообменной пластины 5 первого термоэлектрического модуля 1 с помощью теплопровода 6 термически соединена с поверхностью второй теплообменной пластины 7 термоэлектрического модуля 4. Теплопровод 6 может быть как цельным, так и составным. Электрические выводы 8 и 9 первого термоэлектрического модуля 1 подключены к источнику первичного напряжения, не показанного на фиг. 1 для упрощения. Электрические выводы 10 и 11 термоэлектрического модуля 4 являются выходными, с них напряжение поступает на нагрузку, также не показанную на фиг. 1.The first thermoelectric module 1 by the surface of its first heat exchange plate 2 is thermally connected to the surface of the first heat exchange plate 3 of the second thermoelectric module 4. The surface of the second heat exchange plate 5 of the first thermoelectric module 1 is thermally connected to the surface of the second heat exchange plate 7 of thermoelectric module 4. Heat conduit 6 can be both integral and composite. The electrical terminals 8 and 9 of the first thermoelectric module 1 are connected to a primary voltage source, not shown in FIG. 1 for simplicity. The electrical terminals 10 and 11 of the thermoelectric module 4 are output, from which the voltage is supplied to the load, also not shown in FIG. one.

На теплопроводе 6 образована теплообменная поверхность, которая термически соединена с поверхностью первой теплообменной пластины 12 дополнительно введенного термоэлектрического модуля 13. Поверхность второй теплообменной пластины 14 этого модуля термически соединена с радиатором 15. Радиатор 15 охлаждается либо воздухом, либо имеет жидкостное охлаждение. Электрические выводы 16 и 17 термоэлектрического модуля 13 являются дополнительными выходными.A heat exchange surface is formed on the heat pipe 6, which is thermally connected to the surface of the first heat exchange plate 12 of the additionally introduced thermoelectric module 13. The surface of the second heat exchange plate 14 of this module is thermally connected to the radiator 15. The radiator 15 is cooled either by air or has liquid cooling. The electrical terminals 16 and 17 of the thermoelectric module 13 are additional output.

Наружная поверхность термоэлектрического трансформатора постоянного напряжения покрывается слоем термоизоляции 18. Термоизоляцией целесообразно заполнить и пустоты в конструкции трансформатора.The outer surface of the thermoelectric constant voltage transformer is covered with a layer of thermal insulation 18. It is advisable to fill the voids in the transformer design with thermal insulation.

Вариант термоэлектрического трансформатора постоянного напряжения, показанный на фиг. 2, по аналогии содержит все узлы устройства по фиг. 1, но использование в виде пластины теплопровода 19, термически соединяющего поверхности теплообменных пластин 2 и 3 термоэлектрических модулей 1 и 4 соответственно, позволяет упростить и конструкцию теплопровода 6, который также может быть выполнен в виде пластины.The embodiment of the thermoelectric constant voltage transformer shown in FIG. 2, by analogy, contains all the nodes of the device of FIG. 1, but the use of a plate of a heat conduit 19 that thermally connects the surfaces of the heat exchange plates 2 and 3 of thermoelectric modules 1 and 4, respectively, allows us to simplify the design of the heat conduit 6, which can also be made in the form of a plate.

В термоэлектрических трансформаторах постоянного напряжения и по фиг. 1, и по фиг. 2 к выходным выводам 10 и 11 термоэлектрического модуля 4 и к дополнительным выходным выводам 16 и 17 термоэлектрического модуля 13 может быть подключена раздельная нагрузка или общая, если выходные выводы соединить согласно последовательно либо параллельно.In thermoelectric transformers of direct voltage and according to FIG. 1 and FIG. 2, a separate load or a common load can be connected to the output terminals 10 and 11 of the thermoelectric module 4 and to the additional output terminals 16 and 17 of the thermoelectric module 13, if the output terminals are connected in series or in parallel.

В предложенном устройстве, после подачи первичного (преобразуемого) постоянного напряжения на входные выводы 8 и 9, по первому термоэлектрическому модулю 1 начинает протекать ток, и благодаря эффекту Пельтье на его теплообменных пластинах 2 и 5 появляется разность температур, которая передается на теплообменные пластины 3 и 7 термоэлектрического модуля 4. В соответствии с эффектом Зеебека на выводах 10 и 11 этого модуля появляется напряжение, которое поступает на нагрузку. Токи источника питания, протекающего по термоэлектрическому модулю 1, и нагрузки, протекающие по термоэлектрическому модулю 4, приводят к джоулевым потерям в сопротивлениях термопар модулей, в связи с чем происходит повышение их температур, а следовательно, и температуры теплопровода 6, термически связывающего теплообменные пластины 5 и 7. Появляющаяся разность температур между нагревающимся теплопроводом 6 и радиатором 15 передается на теплообменные пластины 5 и 14 дополнительно введенного термоэлектрического модуля 13, и на его выходных выводах 16 и 17 благодаря эффекту Зеебека возникает напряжение, которое поступает на нагрузку. После достижения устройством теплового баланса наступает рабочий режим термоэлектрического трансформатора постоянного напряжения. Таким образом, часть неизбежных потерь тепловой энергии как в термоэлектрическом модуле 1, так и в термоэлектрическом модуле 4, рассеиваемой в окружающей среде радиатором 15, превращается в полезную энергию.In the proposed device, after supplying the primary (convertible) DC voltage to the input terminals 8 and 9, current flows through the first thermoelectric module 1, and due to the Peltier effect on its heat exchange plates 2 and 5, a temperature difference appears, which is transmitted to the heat exchange plates 3 and 7 of the thermoelectric module 4. In accordance with the Seebeck effect, voltage appears on the terminals 10 and 11 of this module, which is supplied to the load. The currents of the power source flowing through the thermoelectric module 1, and the loads flowing through the thermoelectric module 4, lead to Joule losses in the resistance of the thermocouples of the modules, in connection with which there is an increase in their temperatures, and consequently, the temperature of the heat conduit 6, thermally connecting the heat exchange plates 5 and 7. The resulting temperature difference between the heating heat conductor 6 and the radiator 15 is transmitted to the heat exchange plates 5 and 14 of the additionally introduced thermoelectric module 13, and at its output water 16 and 17 a voltage which is supplied to the load due to the Seebeck effect. After the device reaches the heat balance, the operating mode of the thermoelectric transformer of constant voltage occurs. Thus, part of the inevitable loss of thermal energy in both the thermoelectric module 1 and the thermoelectric module 4 dissipated in the environment by the radiator 15 is converted into useful energy.

Требуемые значения напряжений на выходных выводах 10, 11 и 16, 17 обеспечиваются выбором термоэлектрических модулей 4 и 13 с определенным числом термопар. При невозможности обеспечить требуемые параметры выходного напряжения выбором одного модуля может быть использовано несколько модулей, причем целесообразно по температуре их включить параллельно, а по напряжению - согласно последовательно либо параллельно. Работа термоэлектрических модулей 4 и 13 на общую нагрузку требует согласования их выходных параметров, так что в общем случае эти модули могут оказаться с разным числом термопар и даже разных размеров.The required voltage values at the output terminals 10, 11 and 16, 17 are provided by the choice of thermoelectric modules 4 and 13 with a certain number of thermocouples. If it is not possible to provide the required output voltage parameters by selecting one module, several modules can be used, and it is advisable to turn them on in temperature in parallel, and in voltage - according to series or parallel. The operation of thermoelectric modules 4 and 13 for the total load requires coordination of their output parameters, so that in the general case these modules can be with a different number of thermocouples and even different sizes.

В зависимости от полярности поданного первичного напряжения на выводы 8 и 9 первого термоэлектрического модуля 1 температура теплообменных пластин 2 и 3 термоэлектрических модулей 1 и 4 может быть как выше, так и ниже теплообменных пластин 5 и 7, но принцип работы при этом сохраняется. На фиг. 1 и 2 знаками "+" и "-" показан пример рационального расположения теплообменных пластин соответственно с горячими и холодными спаями термопар широко распространенных термоэлектрических модулей типа ТЕС1-12706 (127 термопар). Эксперименты показали, что трансформатор, построенный по фиг. 1 на упомянутых модулях, при преобразовании входной мощности 21 Вт имел КПД, равный 2,27%, в то время как у прототипа он был 1,56%, а с омическим нагревателем - 1,23%. Нагрузка использовалась раздельная, согласованная. Нужно отметить, что использованные модули не являются генераторными, и максимальная температура была ограничена 100°С. Использование генераторных термоэлектрических модулей позволит поднять температуру преобразования и в соответствии с циклом Карно существенно повысить КПД.Depending on the polarity of the applied primary voltage to the terminals 8 and 9 of the first thermoelectric module 1, the temperature of the heat exchange plates 2 and 3 of the thermoelectric modules 1 and 4 can be either higher or lower than the heat exchange plates 5 and 7, but the principle of operation is preserved. In FIG. 1 and 2, the signs “+” and “-” show an example of a rational arrangement of heat exchange plates with hot and cold junctions of thermocouples, respectively, of widely used thermoelectric modules of the TEC1-12706 type (127 thermocouples). Experiments showed that the transformer constructed in accordance with FIG. 1 on the mentioned modules, when converting the input power of 21 W, it had an efficiency equal to 2.27%, while the prototype had 1.56%, and with an ohmic heater - 1.23%. The load was used separately, agreed. It should be noted that the used modules are not generating, and the maximum temperature was limited to 100 ° C. Using generator thermoelectric modules will increase the temperature of conversion and, in accordance with the Carnot cycle, significantly increase the efficiency.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2542616 от 15.08.2013, H01L 35/00, ВЫПРЯМИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ.1. Patent RU 2542616 of 08/15/2013, H01L 35/00, AC RECTIFIER.

2. Патент US 3316474 (A) от 25.04.1967, H01L 35/32, THERMOELECTRIC TRANSFORMER.2. Patent US 3316474 (A) dated 04/25/1967, H01L 35/32, THERMOELECTRIC TRANSFORMER.

Claims

1. Thermoelectric constant voltage transformer containing a radiator and two thermoelectric modules, the electrical terminals of the first module being connected to the primary constant voltage source and the second output ones, the surface of the first heat exchange plate of the first thermoelectric module is thermally connected to the surface of the first heat exchange plate of the second thermoelectric module, characterized the fact that the surfaces of the second heat transfer plates of the first and second thermoelectric modules are connected through a heat conduit on which a heat-exchange surface is formed, connected to the surface of the first heat-exchange plate of an additionally introduced third thermoelectric module, the surface of the second heat-exchange plate of this module is connected to the radiator, and its electrical terminals are an additional output.

2. Thermoelectric constant voltage transformer according to claim 1, characterized in that the surface of the first heat transfer plate of the first thermoelectric module is thermally connected to the surface of the first heat transfer plate of the second thermoelectric module using a heat conductor.

3. A thermoelectric constant voltage transformer according to claim 1, characterized in that thermal insulation is applied to its surface.