RU2740589C1 - Thermoelectric module - Google Patents
Thermoelectric module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2740589C1 RU2740589C1 RU2020121112A RU2020121112A RU2740589C1 RU 2740589 C1 RU2740589 C1 RU 2740589C1 RU 2020121112 A RU2020121112 A RU 2020121112A RU 2020121112 A RU2020121112 A RU 2020121112A RU 2740589 C1 RU2740589 C1 RU 2740589C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- steatite
- thermoelectric module
- mechanical mixture
- transitions
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
Abstract
Description
Изобретение относится к области прямого преобразования энергии, а именно, электрической энергии в тепловую с использованием термоэлектрического эффекта Пельтье или наоборот тепловой энергии в электрическую с использованием эффекта Зеебека.The invention relates to the field of direct energy conversion, namely, electrical energy into thermal energy using the thermoelectric Peltier effect, or vice versa, thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect.
Известен термоэлектрический модуль, содержащий термоэлементы ветви, которых «p»- и «n»-типа проводимости выполнены из полупроводниковых термоэлектрических материалов, коммутационные токопроводящие пластины, электрически и механически неподвижно соединенные с торцевыми поверхностями ветвей термоэлементов с образованием общей электрической цепи, электроизоляционные теплопереходы, неподвижно расположенные между коммутационными пластинами и теплопроводом (патент US 5409547, HO1L 35/28, опубл. 25.04.1995).Known thermoelectric module containing thermoelements of a branch, of which "p" - and "n" -type of conductivity are made of semiconductor thermoelectric materials, switching conductive plates, electrically and mechanically fixedly connected to the end surfaces of the thermoelement branches with the formation of a common electric circuit, electrical insulating heat transitions, fixedly located between the connecting plates and the heat conductor (patent US 5409547, HO1L 35/28, publ. 25.04.1995).
В известном решении электроизоляционные теплопереходы выполнены в виде слоя силиконовой пасты, обладающей приемлемой теплопроводностью, но не позволяющей решить проблему электрической изоляции, потому что на поверхности теплопровода, обращенной к конструкции модуля, создается дополнительный электроизоляционный теплопереход в виде слоя окиси алюминия, контактирующего с коммутационными пластинами модуля. Такая конструкция теплоперехода обладает многослойностью, имеет обусловленное этим дополнительное термическое сопротивление, поэтому термоэлектрический модуль имеет заниженные энергетические характеристики, ограниченный срок службы из-за деградации во времени силиконовой пасты и неоправданно усложненный технологический процесс изготовления.In the known solution, electrical insulating heat transitions are made in the form of a layer of silicone paste, which has acceptable thermal conductivity, but does not allow solving the problem of electrical insulation, because on the surface of the heat conductor facing the module structure, an additional electrical insulating heat transition is created in the form of an aluminum oxide layer in contact with the switching plates of the module ... Such a design of the heat junction has a multilayer structure, it has additional thermal resistance due to this, therefore, the thermoelectric module has underestimated energy characteristics, a limited service life due to degradation in time of silicone paste and an unjustifiably complicated manufacturing process.
Дальнейшее развитие технологии и конструктивных решений при создании термоэлектрических модулей было направлено, в частности, на создание более совершенных электроизоляционных теплопереходов.Further development of technology and design solutions for the creation of thermoelectric modules was aimed, in particular, at the creation of more advanced electrical insulating heat transitions.
Наиболее близким по техническому и конструктивному исполнению к предлагаемому решению является термоэлектрический модуль (патент на полезную модель RU 33462, HO1L 35/02, опубл. 20.10.2003 г.), содержащий термоэлементы, ветви которых «p»- и «n»-типа проводимости выполнены из термоэлектрических материалов, коммутационные токопроводящие пластины, электрически и механически неподвижно соединены с торцевыми поверхностями ветвей термоэлементов с образованием общей электрической цепи, электроизоляционные теплопереходы, неподвижно расположенные между коммутационными пластинами и теплопроводами, выполнены в виде слоя окиси металла, образованного в поверхностном слое теплопровода, например, окиси алюминия, обращенном к коммутационным пластинам, методом микродугового оксидирования поверхности теплопровода с образованием α и γ фаз Al2O3.The closest in technical and design execution to the proposed solution is a thermoelectric module (patent for a useful model RU 33462, HO1L 35/02, publ. 20.10.2003), containing thermoelements, the branches of which are "p" - and "n" -type conductivity are made of thermoelectric materials, the switching conductive plates are electrically and mechanically fixedly connected to the end surfaces of the thermoelement legs to form a common electrical circuit, the electrical insulating heat transitions, fixedly located between the switching plates and heat conductors, are made in the form of a metal oxide layer formed in the surface layer of the heat conductor, for example, alumina, facing the connecting plates, by the method of microarc oxidation of the surface of the heat conductor with the formation of α and γ phases of Al 2 O 3 .
Недостатком этого известного технического решения является значительная пористость слоя окиси алюминия и, следовательно, его большое термическое сопротивление по сравнению с компактной окисью алюминия, что значительно уменьшает положительный эффект от отсутствия разъемного контакта между теплопроводом и электроизоляционным теплопереходом. Кроме того, окись алюминия обладает гораздо меньшим коэффициентом термического расширения, чем материал теплопровода. В рассматриваемом случае алюминий, что создает биметаллический эффект вызывающий деформацию теплопровода, которая растет с увеличением температуры эксплуатации и линейных размеров термоэлектрического модуля в плане, а так же при возрастании толщины оксидного слоя, которую необходимо увеличивать при использовании термоэлектрических модулей в многокиловатных охлаждающих или электрогенерирующих устройствах, где общая площадь электрической изоляции (оксидного слоя) на электроизоляционных теплопереходах измеряется в квадратных метрах, что ведет к возрастанию боковых утечек тока по периметру изоляционного слоя.The disadvantage of this known technical solution is the significant porosity of the layer of aluminum oxide and, consequently, its high thermal resistance compared to compact aluminum oxide, which significantly reduces the positive effect of the absence of detachable contact between the heat conductor and the insulating heat junction. In addition, alumina has a much lower coefficient of thermal expansion than the heat conductor material. In the case under consideration, aluminum, which creates a bimetallic effect causing deformation of the heat conductor, which increases with an increase in the operating temperature and linear dimensions of the thermoelectric module in plan, as well as with an increase in the thickness of the oxide layer, which must be increased when using thermoelectric modules in multi-kilowatt cooling or power generating devices, where the total area of electrical insulation (oxide layer) on electrical insulating heat junctions is measured in square meters, which leads to an increase in lateral current leakage around the perimeter of the insulating layer.
Кроме того, в электрогенерирующих термоэлектрических преобразователях тепла в электричество, например, в газовых термогенераторах на воспламенительную свечу подается напряжение свыше 1000 Вольт и, несмотря на схемные защитные меры высокое напряжение при неблагоприятных условиях окружающей среды, например, повышенной влажности может через оксидный слой на теплопроводах термоэлектрических модулей (электроизоляционные теплопереходы) попасть в схему генерирования термоэлектрического модуля и вызвать нежелательные последствия, как технического характера, так и в плане обеспечения электробезопасности.In addition, in electric-generating thermoelectric converters of heat into electricity, for example, in gas thermogenerators, a voltage of over 1000 Volts is applied to the ignition plug and, despite circuit protective measures, high voltage under unfavorable environmental conditions, for example, high humidity can through the oxide layer on thermoelectric heat conductors. modules (electrical insulating heat transitions) get into the generating circuit of the thermoelectric module and cause undesirable consequences, both of a technical nature and in terms of ensuring electrical safety.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Для устранения вышеперечисленных недостатков известного термоэлектрического модуля (прототипа) предлагается новое техническое решение, в котором противоположные стороны (наружные) горячего и холодного теплопроводов дополнительно снабжены горячим и холодным электроизоляционными теплопереходами и на все теплопереходы, расположенные с двух сторон теплопроводов, нанесен равномерно по всей поверхности слой диэлектрического материала пропитки, выполненного в виде механической смеси диэлектрической жидкости и мелкодисперсного твердого диэлектрического материала, выполненного в виде природного материала стеатита Mg3 [SiO10] (ОН)2, а в качестве диэлектрической жидкости для приготовления механической смеси с диэлектрическим материалом используется вещество, размер молекул которого существенно, например, на порядок (в 10 раз) меньше размеров пор в основном оксидном слое электроизоляционного теплоперехода, например, толуол, причем размер частиц мелкодисперсного твердого диэлектрического материала в механической смеси с диэлектрической жидкостью также значительно меньше на порядок (в 10 раз) размеров пор в диэлектрическом (оксидном) слое электроизоляционных теплопереходов, а горячий и холодный теплопроводы выполнены из алюминия, никеля, хрома, иттрия, и мелкодисперсный твердый диэлектрический материал, используемый как наполнитель, изготовлен в свою очередь в виде механической смеси стеатита и металлов молибдена, хрома, никеля, серебра в пропорции металла 8-10%, остальное - стеатит.To eliminate the above disadvantages of the known thermoelectric module (prototype), a new technical solution is proposed, in which the opposite sides (external) of the hot and cold heat pipes are additionally equipped with hot and cold electrical insulating heat junctions and on all heat junctions located on both sides of the heat conductors, a layer is applied uniformly over the entire surface dielectric impregnation material made in the form of a mechanical mixture of a dielectric liquid and a finely dispersed solid dielectric material made in the form of natural steatite material M g3 [SiO 10 ] (OH) 2 , and as a dielectric liquid for preparing a mechanical mixture with a dielectric material, a substance is used, the size molecules of which is substantially, for example, an order of magnitude (10 times) smaller than the pore size in the main oxide layer of an electrically insulating heat transfer, for example, toluene, and the particle size of the finely dispersed solid dielectric material heat in a mechanical mixture with a dielectric liquid is also much smaller by an order of magnitude (10 times) the size of pores in the dielectric (oxide) layer of electrical insulating heat transitions, and hot and cold heat pipes are made of aluminum, nickel, chromium, yttrium, and a fine solid dielectric material used as a filler, it is made, in turn, in the form of a mechanical mixture of steatite and metals molybdenum, chromium, nickel, silver in a metal proportion of 8-10%, the rest is steatite.
Пример осуществления предложенного изобретения: термоэлектрический модуль предложенной конструкции, поясняется чертежом (Фиг. 1), где 1 - ветвь «p»-типа проводимости одного из термоэлементов, 2 - ветвь «n»-типа проводимости этого же термоэлемента, 3 - коммутационная токопроводящая пластина, 4 - холодный электроизоляционный теплопереход, расположенный между коммутационными пластинами и внутренней стороной холодного теплопровода термоэлектрического модуля, 5 - холодный электроизоляционный теплопереход (дополнительный), расположенный на наружной стороне холодного теплопровода, 6 - холодный теплопровод, 7 -токовывод термоэлектрического модуля, например, «минусовой», 8 -горячий теплопровод, 9 и 10 - горячие электроизоляционные теплопереходы, расположенные между коммутационными пластинами и внутренней стороной горячего теплопровода, и с наружной стороны горячего теплопровода (дополнительный электроизоляционный теплопереход), соответственно, 11 - токовый вывод термоэлектрического модуля, например, «плюсовой».An example of implementation of the proposed invention: a thermoelectric module of the proposed design, illustrated by a drawing (Fig. 1), where 1 is a branch "p" -type of conductivity of one of the thermoelements, 2 is a branch of "n" -type of conductivity of the same thermoelement, 3 is a switching conductive plate , 4 - cold electrical insulating heat junction located between the connection plates and the inner side of the cold heat conductor of the thermoelectric module, 5 - cold electrical insulating heat conduit (additional), located on the outer side of the cold heat conductor, 6 - cold heat conductor, 7 - current output of the thermoelectric module, for example, "negative ", 8 - hot heat pipe, 9 and 10 - hot electrical insulating heat junctions located between the connection plates and the inner side of the hot heat pipe, and from the outside of the hot heat pipe (additional electrical insulating heat junction), respectively, 11 - current output of the thermoelectric module, for example nimer, "plus".
В зависимости от порядка расположения ветвей крайних термоэлементов и схемы их дальнейшего соединения в модуле и направления тока (для модулей Пельтье) полярность токовых выводов может меняться на противоположный знак.Depending on the order of arrangement of the branches of the extreme thermoelements and the scheme of their further connection in the module and the direction of the current (for Peltier modules), the polarity of the current leads can change to the opposite sign.
Термоэлектрический модуль, предложенный в настоящем изобретении конструкции, работает следующим образом. Термоэлементы модуля состоят из полупроводниковых ветвей «p»- (1) и «n»-типа (2) проводимости, соединенных между собой с помощью коммутационных токопроводящих пластин (3) в единую электрическую цепь, которая заканчивается токовыми выводами «минусовой» (7) и «плюсовой» (11) полярности, и выводы подключаются к источнику электропитания (на чертеже не показан), если модуль работает с использованием эффекта Пельтье (т.е. в режиме охладителя или нагревателя) либо токовые выводы (7, 11) подключаются к потребителю электрической энергии (на чертеже не показан) если термоэлектрический модуль работает в режиме преобразования тепловой энергии в электрическую, в этом случае с использованием эффекта Зеебека. Основу термоэлектрического модуля предложенной конструкции составляют теплопроводы горячий (8) и холодный (6) выполненные, например, из алюминия и отделенные от коммутационных теплопроводных пластин (3) с помощью холодного (4) и горячего (9) электроизоляционных, выполненных из окиси алюминия, теплопереходов. Кроме того, для более надежной защиты электрической цепи термоэлектрического модуля теплопроводы снабжены дополнительными наружными слоями электрической изоляции (5 - холодный теплопровод) и (10 - горячий теплопровод), таким образом горячий (8) и холодный (6) теплопроводы имеют двойную электрическую изоляцию (9, 10) и (4, 5) соответственно.The thermoelectric module proposed in the present invention of the structure works as follows. Thermoelements of the module consist of semiconductor branches "p" - (1) and "n" -type (2) conductivity, interconnected by means of switching conductive plates (3) into a single electrical circuit, which ends with current terminals "minus" (7) and "positive" (11) polarity, and the leads are connected to a power supply (not shown in the drawing), if the module operates using the Peltier effect (i.e. in the cooler or heater mode) or current leads (7, 11) are connected to to a consumer of electrical energy (not shown in the drawing) if the thermoelectric module operates in the mode of converting thermal energy into electrical energy, in this case using the Seebeck effect. The basis of the thermoelectric module of the proposed design is made up of hot (8) and cold (6) heat pipes made, for example, of aluminum and separated from the switching heat-conducting plates (3) by means of cold (4) and hot (9) electrical insulating, made of aluminum oxide, heat transitions ... In addition, for more reliable protection of the electrical circuit of the thermoelectric module, the heat conductors are equipped with additional outer layers of electrical insulation (5 - cold heat conductor) and (10 - hot heat conductor), thus hot (8) and cold (6) heat conductors have double electrical insulation (9 , 10) and (4, 5), respectively.
Двойной слой электрической изоляции на теплопроводах термоэлектрического модуля (ТЭМ) предложенной конструкции повышает его надежность при использовании ТЭМ в экстремальных условиях, например повышенной влажности, в условиях соляного тумана, ионизирующего излучения и других неблагоприятных условиях.A double layer of electrical insulation on the heat conductors of the thermoelectric module (TEM) of the proposed design increases its reliability when using TEM in extreme conditions, for example, high humidity, salt fog, ionizing radiation and other unfavorable conditions.
Электроизоляционные теплопереходы наносятся различными методами, наибольшее распространение получил метод микродугового оксидирования, при котором электроизоляционный теплопереход образуется из оксида металла Al2O3, из которого изготовлен теплопровод - в данном случае из алюминия. Но, несмотря на ряд положительных свойств изоляционных теплопереходов (4, 5, 9, 10), полученных как по вышеприведенной технологии, так и полученным по другим технологиям, например, динамическим напылением окиси алюминия на теплопровод, все они имеют общий недостаток, заключающийся в повышенной пористости оксидного слоя теплопровода (в данном случае Al2O3), выполняющего роль двухсторонних электроизоляционных теплопереходов (4, 5, 9, 10) холодного и горячего теплопроводов (6, 8). Для устранения этого недостатка, т.е. повышения теплопроводности и изоляционных свойств всех электроизоляционных теплопереходов (4, 5, 9, 10) на их поверхности, перед сборкой термоэлектрической батареи, равномерно нанесен дополнительный пропитывающий слой диэлектрического материала, выполненного в виде механической смеси диэлектрической жидкости и наполнителя в виде мелкодисперсного твердого диэлектрического материала, например, стеатита Mg3 [SiO10] (ОН)2, его отличительной особенностью является пониженная сила трения мелкодисперсных частиц стеатита по отношению к оксидным слоям металлов, из которых изготовлен теплопровод, например, алюминий, никель, хром, иттрий. Рекомендуемый набор материалов теплопроводов сделан исходя из наиболее часто встречающихся неблагоприятных внешних факторов эксплуатации термоэлектрических модулей отмеченных выше, например, оксид иттрия и теплопровод из этого металла сохраняет свои физико-механические свойства в течение длительного времени эксплуатации в условиях воздействия высоких уровней нейтронного потока, и, следовательно, термоэлектрический модуль, ветви термоэлементов (1, 2) которого изготовлены из халькогенидов висмута и сурьмы «n»- и «p»-типа проводимости, может эксплуатироваться в схемах аварийного расхолаживания атомных реакторов малой мощности, где использование в конструкции термоэлектрического модуля такого материала, как иттрий, является экономически и технически оправданным.Electrical insulating heat transitions are applied by various methods, the most widespread is the method of microarc oxidation, in which the electrical insulating heat transition is formed from the metal oxide Al 2 O 3 , from which the heat conductor is made - in this case, from aluminum. But, despite a number of positive properties of insulating heat transitions (4, 5, 9, 10), obtained both according to the above technology, and obtained using other technologies, for example, dynamic spraying of aluminum oxide on a heat conductor, they all have a common disadvantage, which is increased the porosity of the oxide layer is a heat conductor (in this case Al 2 O 3), acting in double-sided insulating heat transmission (4, 5, 9, 10) of cold and hot heat conductors (6, 8). To eliminate this disadvantage, i.e. increasing the thermal conductivity and insulating properties of all electrical insulating heat transitions (4, 5, 9, 10) on their surface, before assembling the thermoelectric battery, an additional impregnating layer of dielectric material is uniformly applied, made in the form of a mechanical mixture of a dielectric liquid and a filler in the form of a fine solid dielectric material, for example, steatite Mg 3 [SiO 10 ] (OH) 2 , its distinctive feature is the reduced friction force of fine steatite particles in relation to oxide layers of metals from which the heat conductor is made, for example, aluminum, nickel, chromium, yttrium. The recommended set of materials for heat conductors is made based on the most common unfavorable external factors of operation of thermoelectric modules noted above, for example, yttrium oxide and a heat conductor made of this metal retain their physical and mechanical properties for a long time of operation under conditions of high levels of neutron flux, and, therefore , thermoelectric module, thermoelement legs (1, 2) of which are made of bismuth and antimony chalcogenides of "n" and "p" -type conductivity, can be used in emergency cooling circuits of low-power nuclear reactors, where the use of such a material in the design of a thermoelectric module, like yttrium, it is economically and technically viable.
Для осуществления операции пропитки теплопроводы (до сборки ТЭМ), снабженные с двух сторон электроизоляционными теплопереходами помещают в перчаточный вакуумный бокс с инертной атмосферой, где их нагревают в динамическом вакууме до 1⋅10-3 мм рт.ст. до повышенной температуры, для алюминиевых теплопроводов и теплопроводов из материалов, указанных в заявке, составляющей 240÷280°С, обеспечивающей полное открытие пор в электроизоляционном теплопереходе, например, из окиси алюминия и окислов других металлов, указанных в изобретении, и после выдержки в течение одного-полутора часов запускают в перчаточный бокс инертный газ, предпочтительно гелий, под избыточным давлением например, 0,5 ати, затем охлаждают теплопроводы до 20-40°С и наносят (не вынимая из перчаточного бокса) любым удобным способом, например, кисточкой пропитывающий слой в виде механической смеси диэлектрической жидкости с твердотельным механическим наполнителем, выполненным в виде мелкодисперсного стеатита или стеатита с добавкой металлов молибдена, хрома, никеля, серебра. Затем производят повторный нагрев теплопроводов с двуслойными электроизоляционными теплопереходами до температуры указанной выше в динамическом вакууме до полного удаления диэлектрической жидкости, в качестве которой используется толуол, что определяется степенью его удаления по стабилизации разряжения в инертной атмосфере бокса на уровне 1⋅10-2-10-3 мм рт.ст. В результате такой операции удается удалить из пор в оксидном слое электроизоляционных теплопереходов молекулы воды и адсорбированного кислорода и заполнить поры твердотельным наполнителем в виде мелкодисперсного диэлектрика, выполненного из стеатита или стеатита с добавкой мелкодисперсного молибдена (8-10%), или хрома, или никеля, или серебра.To carry out the impregnation operation, heat pipes (prior to TEM assembly) equipped with electrical insulating heat transitions on both sides are placed in a glove box with an inert atmosphere, where they are heated in a dynamic vacuum to 1⋅10 -3 mm Hg. up to an elevated temperature, for aluminum heat conductors and heat conductors made of materials specified in the application, constituting 240 ÷ 280 ° C, providing full opening of pores in an electrically insulating heat junction, for example, from aluminum oxide and oxides of other metals specified in the invention, and after holding for one to one and a half hours, an inert gas, preferably helium, is put into the glove box under an excess pressure, for example, 0.5 atm, then the heat pipes are cooled to 20-40 ° C and applied (without removing from the glove box) in any convenient way, for example, with a brush soaking a layer in the form of a mechanical mixture of a dielectric liquid with a solid-state mechanical filler made in the form of finely dispersed steatite or steatite with the addition of metals molybdenum, chromium, nickel, silver. Then, heat pipes with two-layer electrical insulating heat transitions are reheated to the temperature indicated above in a dynamic vacuum until the dielectric liquid is completely removed, which is toluene, which is determined by the degree of its removal by stabilizing the vacuum in the inert atmosphere of the box at the level of 1⋅10 -2 -10 - 3 mm Hg As a result of this operation, it is possible to remove water molecules and adsorbed oxygen from the pores in the oxide layer of the electrical insulating heat transitions and fill the pores with a solid filler in the form of a fine dielectric made of steatite or steatite with the addition of fine molybdenum (8-10%), or chromium, or nickel, or silver.
Для экспериментальной проверки изоляционных свойств предложенного в изобретении двойного электроизоляционного теплоперехода на основе окиси алюминия с пропиткой механической смесью диэлектрической жидкости и стеатита с добавкой 8-10% молибдена были выполнены измерения зависимости электрической проводимости (б) от температуры в форсажном режиме до 500°С. Как видно из полученной зависимости (см. Фиг. 2) значения электрической изоляции соответствуют самым высоким техническим требованиям предъявляемым к электроизоляционным теплопереходам в термоэлектрических модулях, работающих с использованием эффектов Пельтье или Зебека. На Фиг. 3 и Фиг. 4 представлены результаты микроскопических исследований, где представлены электроизоляционный теплопереход, выполненный в поверхностном слое алюминиевого теплопровода и состоящий из окиси алюминия (увеличение × 270) до пропитки и после пропитки его механической смесью толуола и стеатита соответственно. На приведенных фотографиях хорошо виден положительный эффект достигнутый в предложенном в изобретении техническом решении, т.к. поры в окиси алюминия практически отсутствуют (см. фото на Фиг. 4).For experimental verification of the insulating properties of the double electrical insulating heat junction proposed in the invention based on alumina impregnated with a mechanical mixture of a dielectric liquid and steatite with the addition of 8-10% molybdenum, measurements of the dependence of electrical conductivity (b) on temperature in the afterburner mode up to 500 ° C were performed. As can be seen from the obtained dependence (see Fig. 2), the values of electrical insulation correspond to the highest technical requirements for electrical insulating heat transitions in thermoelectric modules operating using the Peltier or Zebeck effects. FIG. 3 and FIG. 4 shows the results of microscopic studies, which presents an electrical insulating heat junction made in the surface layer of an aluminum heat conductor and consisting of aluminum oxide (magnification × 270) before and after impregnation with a mechanical mixture of toluene and steatite, respectively. The above photographs clearly show the positive effect achieved in the technical solution proposed in the invention, since pores in aluminum oxide are practically absent (see photo in Fig. 4).
Следует отметить, что в результате пропитки слоя окиси алюминия механической смесью на основе жидкого диэлектрика и твердотельного мелкодисперсного наполнителя с последующим технологическим нагревом полученного таким образом электроизоляционного теплоперехода значительно улучшаются его электроизоляционные (см. Фиг. 2) и механические свойства. Последнее получило подтверждение в виде успешного завершения испытаний термоэлектрических модулей на термоциклирование (нагрев и охлаждение), в процессе которых модули выдержали без деградации свойств несколько десятков тысяч термоциклов.It should be noted that as a result of the impregnation of the aluminum oxide layer with a mechanical mixture based on a liquid dielectric and a solid-state finely dispersed filler, followed by technological heating of the thus obtained electrical insulating heat junction, its electrical insulating (see Fig. 2) and mechanical properties are significantly improved. The latter was confirmed in the form of successful completion of thermocycling (heating and cooling) tests of thermoelectric modules, during which the modules withstood several tens of thousands of thermal cycles without degradation of properties.
Аналогичный положительный эффект получен при испытании термоэлектрических модулей, теплопроводы которых изготовлены из других металлов, например, никеля, хрома, иттрия, а слой изоляции из окислов этих металлов (электроизоляционный теплопереход), с последующей пропиткой предложенным в изобретении составом и технологии пропитки, основные показатели которой даны в описании изобретения.A similar positive effect was obtained when testing thermoelectric modules, heat conductors of which are made of other metals, for example, nickel, chromium, yttrium, and an insulation layer of oxides of these metals (electrical insulating heat transfer), followed by impregnation with the composition and impregnation technology proposed in the invention, the main indicators of which are given in the description of the invention.
Металлографические исследования электроизоляционных теплопереходов на основе окислов хрома, никеля, иттрия и их изоляционных свойств принципиально не отличаются от данных приведенных по окиси алюминия на Фиг. 3 и Фиг. 4, т.к. окислы имеют приблизительно одинаковую температуру плавления, физико-химические свойства и механические свойства.Metallographic studies of electrical insulating heat transitions based on oxides of chromium, nickel, yttrium and their insulating properties do not fundamentally differ from the data given for aluminum oxide in Fig. 3 and FIG. 4 because oxides have approximately the same melting point, physicochemical properties, and mechanical properties.
Термоэлектрические модули предложенной в изобретении конструкции могут служить с успехом для преобразования тепла в электричество, используется в этом случае эффект Зеебека, удельная мощность генерируется в нагрузку и составляет 0,2÷0,3 Вт/см2 в зависимости от перепада температуры на термоэлементах при сроке службы до 25 лет. Они имеют большой рынок использования, как источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов, источники бесперебойного электропитания в автоматизированных системах, в устройствах с использованием геотермального тепла и ряда других областях применения, как на земле, так и в космосе с солнечным и радиоизотопным нагревом.Thermoelectric modules of the design proposed in the invention can be successfully used for converting heat into electricity, the Seebeck effect is used in this case, the specific power is generated per load and is 0.2 ÷ 0.3 W / cm 2 , depending on the temperature drop across the thermoelements during the period service up to 25 years. They have a large market for use as power supplies for the cathodic protection of oil and gas pipelines, uninterruptible power supplies in automated systems, in devices using geothermal heat and a number of other applications, both on earth and in space with solar and radioisotope heating.
Анализ, проведенный заявителем по известному ему уровню техники, показал, что предлагаемое изобретение обладает новизной и отвечает в отношении совокупности его существенных признаков требованию условия «изобретательский уровень».The analysis carried out by the applicant according to the prior art known to him, showed that the proposed invention has novelty and meets, in relation to the totality of its essential features, the requirement of the condition "inventive step".
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020121112A RU2740589C1 (en) | 2020-06-25 | 2020-06-25 | Thermoelectric module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020121112A RU2740589C1 (en) | 2020-06-25 | 2020-06-25 | Thermoelectric module |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2740589C1 true RU2740589C1 (en) | 2021-01-15 |
Family
ID=74183856
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020121112A RU2740589C1 (en) | 2020-06-25 | 2020-06-25 | Thermoelectric module |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2740589C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2764185C1 (en) * | 2021-06-10 | 2022-01-14 | Анатолий Яковлевич Тереков | Thermoelectric generator |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5409547A (en) * | 1992-10-05 | 1995-04-25 | Thermovonics Co., Ltd. | Thermoelectric cooling device for thermoelectric refrigerator, process for the fabrication of semiconductor suitable for use in the thermoelectric cooling device, and thermoelectric refrigerator using the thermoelectric cooling device |
| JPH10190072A (en) * | 1996-12-27 | 1998-07-21 | Yamaha Corp | Thermoelectric module |
| RU33462U1 (en) * | 2003-06-27 | 2003-10-20 | Алексеев Валерий Венедиктович | THERMOELECTRIC MODULE |
| RU54464U1 (en) * | 2006-02-20 | 2006-06-27 | Всеволод Викторович Зеленков | THERMOELECTRIC MODULE |
| US20090301540A1 (en) * | 2008-06-06 | 2009-12-10 | Yamaha Corporation | Thermoelectric module device and heat exchanger used therein |
| RU2570429C1 (en) * | 2014-10-20 | 2015-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕРМОИНТЕХ" | Thermoelectric module |
-
2020
- 2020-06-25 RU RU2020121112A patent/RU2740589C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5409547A (en) * | 1992-10-05 | 1995-04-25 | Thermovonics Co., Ltd. | Thermoelectric cooling device for thermoelectric refrigerator, process for the fabrication of semiconductor suitable for use in the thermoelectric cooling device, and thermoelectric refrigerator using the thermoelectric cooling device |
| JPH10190072A (en) * | 1996-12-27 | 1998-07-21 | Yamaha Corp | Thermoelectric module |
| RU33462U1 (en) * | 2003-06-27 | 2003-10-20 | Алексеев Валерий Венедиктович | THERMOELECTRIC MODULE |
| RU54464U1 (en) * | 2006-02-20 | 2006-06-27 | Всеволод Викторович Зеленков | THERMOELECTRIC MODULE |
| US20090301540A1 (en) * | 2008-06-06 | 2009-12-10 | Yamaha Corporation | Thermoelectric module device and heat exchanger used therein |
| RU2570429C1 (en) * | 2014-10-20 | 2015-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕРМОИНТЕХ" | Thermoelectric module |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2764185C1 (en) * | 2021-06-10 | 2022-01-14 | Анатолий Яковлевич Тереков | Thermoelectric generator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Skomedal et al. | Design, assembly and characterization of silicide-based thermoelectric modules | |
| US20050087222A1 (en) | Device for producing electric energy | |
| RU2011129862A (en) | HIGH TEMPERATURE HIGH EFFICIENT THERMOELECTRIC MODULE | |
| US9640803B2 (en) | Manganese oxide and carbon combination generator battery | |
| US8334450B2 (en) | Seebeck solar cell | |
| KR20120064517A (en) | A thermoelectric element and a thermoelectric module | |
| RU2740589C1 (en) | Thermoelectric module | |
| Tomeš et al. | Thermoelectric oxide modules tested in a solar cavity-receiver | |
| US3053923A (en) | Solar power source | |
| EP3591723A1 (en) | Thermoelectric power generation cell and thermoelectric power generation module | |
| CN101350580B (en) | Solid-state thermo-electric generation plate and apparatus thereof | |
| US3183121A (en) | Thermoelectric generator with heat transfer and thermal expansion adaptor | |
| RU2628676C1 (en) | Thermoelectric element | |
| CA2624665C (en) | Thermally enhanced solid-state generator | |
| US20050126618A1 (en) | Device for producing electric energy | |
| RU2010396C1 (en) | Thermocouple, battery of thermocouples and process of their manufacture | |
| US8957298B2 (en) | Apparatus, systems and methods for electrical power generation from heat | |
| WO2015019385A1 (en) | Thermal power generation system | |
| Woo et al. | Relation between electric power and temperature difference for thermoelectric generator | |
| RU2376681C1 (en) | Thermoelectric cell | |
| US11011692B2 (en) | Thermoelectric device utilizing non-zero berry curvature | |
| JPWO2006054567A1 (en) | Thermal energy transfer circuit system, electrical energy conversion supply system using thermal energy resources, and chemical energy resource storage system using thermal energy resources | |
| RU2649647C2 (en) | Adverse event-resilient network system | |
| Rowe | Development of improved modules for the economic recovery of low temperature waste heat | |
| Daimon et al. | A multi-layered thermoelectric power generator fabricated by stacking thermoelectric plates |