WO2020027685A1 - Thermoelectric module - Google Patents

Thermoelectric module Download PDF

Info

Publication number
WO2020027685A1
WO2020027685A1 PCT/RU2018/000507 RU2018000507W WO2020027685A1 WO 2020027685 A1 WO2020027685 A1 WO 2020027685A1 RU 2018000507 W RU2018000507 W RU 2018000507W WO 2020027685 A1 WO2020027685 A1 WO 2020027685A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductors
thermoelectric
heat
thermal
junctions
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000507
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Алексей Максимович ШВАРЦ
Михаил Константинович КУЗОВКОВ
Сергей Викторович ГРИГОРЬЕВ
Original Assignee
Алексей Максимович ШВАРЦ
Михаил Константинович КУЗОВКОВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Алексей Максимович ШВАРЦ, Михаил Константинович КУЗОВКОВ filed Critical Алексей Максимович ШВАРЦ
Priority to PCT/RU2018/000507 priority Critical patent/WO2020027685A1/en
Publication of WO2020027685A1 publication Critical patent/WO2020027685A1/en

Links

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

Definitions

  • the invention relates to thermoelectric devices.
  • the invention can find application in heating and cooling devices, in equipment for air conditioning, in measuring and medical equipment.
  • the thermoelectric module can be used to create a thermoelectric generator.
  • Thermoelectric devices are known in the art (for example, those described in patents SU 1179045, US20110258995, JP 7-307493, WO 1988005964, JP2007184416, US20120049315, JP 2001185768, RU 85756, JP 9321349, US 5584183, JP 2002232027, JP 2006049572, JP 2006049572, JP the functioning of which is based on the use of known thermoelectric physical phenomena (effects) due to the relationship between thermal and electrical processes in metals and semiconductors.
  • Thermoelectric phenomena include the Seebeck effect, the Peltier effect, and the Thomson effect.
  • the Peltier effect is the basis of thermoelectric cooling.
  • the Seebeck effect underlies the design of thermoelectric generators.
  • Thermoelectric materials can convert electrical energy into thermal energy (Peltier effect).
  • Thermoelectric materials can convert thermal energy into electrical energy (Seebeck effect).
  • thermoelectric module (Fig. 1) using semiconductors with p and p type of conductivity was proposed by academician A.F. Ioffe in 1929 (source [1]: Ioffe A.F., Semiconductor Physics, Publishing House of the USSR Academy of Sciences, Moscow, Leningrad, 1957).
  • the basic design scheme for thermoelectric modules remains unchanged to date.
  • the classical thermoelectric module consists of a chain (row, set) of thermoelectric elements pos. 1 (Fig. 1) formed by electrically connected semiconductors n and p of the type pos. 2,3 (Fig. 1).
  • One thermoelectric element contains an n-type semiconductor and a p-type semiconductor, which have an electrical connection (junction, metal bridge) 4,5 (figure 1) at one end, and the extreme semiconductors 10,11 free ends 8,9 2
  • thermocouple that can heat or cool when an electric current flows through it, depending on its direction.
  • an electric potential arises at its free ends, and an electric voltage potential forms between the ends of semiconductors of type n and p.
  • Thermoelectric elements connected in a circuit are connected in series, so that the electrical output of one semiconductor is connected to the electrical input of another, while the electrical input of the initial extreme semiconductor is connected to one current path (for example, a positive electrode), and the electrical output of the final extreme semiconductor is connected to another current path (e.g. negative electrode).
  • one current path for example, a positive electrode
  • the electrical output of the final extreme semiconductor is connected to another current path (e.g. negative electrode).
  • the electrical connection of semiconductors that are heated in a given direction of electric current are spatially located in one plane, the electrical connection of semiconductors that are cooled in a given direction of electric current are located in another plane, so that these planes are parallel. All the junction of the semiconductors in this case have thermal contact with the heat conductor 6,7 (figure 1).
  • the heat conduit for a given direction of electric current flow through the circuit can be cooled or heated. All places of electrical connection of semiconductors that are heated in a given direction of electric current have thermal contact with a heater (for example, made in the form of a ceramic plate).
  • thermoelectric module All places of electrical connection of semiconductors that are cooled in a given direction of electric current have thermal contact with a cooler (for example, made in the form of a ceramic plate). As a result, when the thermoelectric module is operating, a temperature difference occurs, there is a temperature gradient from the surface 3
  • thermoelectric element of the thermoelectric module consists of semiconductor rods (of materials with conductivity of p and p type), the ends of which are connected by an electrically conductive and heat-conducting bridge (usually metal), the heat conductors are made of ceramic plates. In this case, temperature changes in geometric dimensions (thermal expansion) occur in materials of semiconductors, heat conductors, and junctions of semiconductors. In order to obtain a fatigue-resistant thermoelectric module, thermal expansions inside the thermoelectric module must be compensated. The design of the thermoelectric module should not be destroyed by its own thermal effects.
  • thermoelectric element A device of a thermoelectric element is known (source [2]: patent RU 2654376). It contains a left semiconductor rod of conductivity material, for example, bismuth, a right semiconductor rod of conductivity material p, for example antimony.
  • the upper parts of the semiconductor rods are electrically connected, have electrical and thermal contact with the copper plate of the heater.
  • the lower parts of the semiconductor rods have electrical and thermal contact with copper current collectors (electrodes) of the cooler.
  • there is a temperature gradient there is a temperature gradient.
  • the contact points of the semiconductors that are heated in a given direction of electric current are spatially located in one plane, the contact points of the semiconductors that are located in another plane, so that these planes are parallel and have thermal contact with the copper plates of the heater and cooler.
  • thermoelectric device is known (source [3]: patent RU 2173007. Convention priority: 08.25.1997 JP 9-228094, PCT publication: WO 99/10937).
  • Many p- and p-type thermoelectric semiconductors are regularly arranged (form a circuit) in such a way that both of their end faces form the end surfaces of the interconnect (junctions) located at approximately the same level and are connected together through insulation.
  • Interconnect electrodes for alternating electrical connection of p- and p-type thermoelectric semiconductors are formed on both end surfaces of the interconnect.
  • a pair of connecting electrodes is formed for electrical connection with thermoelectric semiconductors corresponding to one end and the other end of a plurality of thermoelectric semiconductors.
  • One of the end surfaces of the interconnect of the block of thermoelectric elements is inserted into the hole of the flexible printed circuit and then attached to the upper face of the plate of thermal conductivity through the insulating layer.
  • a pair of connecting electrodes is electrically connected to a pair of input / output electrodes formed on a flexible printed circuit.
  • the connection points of the semiconductors that are heated in a given direction of electric current are spatially located in one plane, the connection points of the semiconductors that are located in another plane, so that these planes are parallel and have thermal contact with the heater or cooler.
  • thermoelectric semiconductors of two different types of conductivity, p-type and n-type form thermoelectric elements (thermocouple), which are arranged in series so that many semiconductors are brought into a two-dimensional arrangement, and each thermoelectric element is electrically connected to the other in series through plates electrodes.
  • the upper surface and the lower surface of the electrodes are the faces on which the "hot” junctions and the "cold” junctions of the semiconductors are respectively located. Joints are places of electrical and thermal connection of semiconductors.
  • thermoelectric element A known construction of a Peltier element or Seebeck element (source [5]: Japanese patent JP4850070, patent application US20090007952).
  • the design consists of a set of thermoelectric elements formed by electrically connected semiconductors of p and p types. Semiconductors are electrically connected in series and some semiconductor connections have thermal contact with the heater and other connections with the cooler.
  • the thermoelectric element of the thermoelectric module consists of two types of semiconductor crystals with p and p type conductivity, the ends of which are electrically connected by a metal bridge (the place of electrical and thermal connections), the free ends of the semiconductor crystals are connected to the electrodes.
  • Metal bridges that heat in this direction of electric current are spatially located in one plane, metal bridges which are cooled in a given direction of electric current are located in another plane, so that these planes are parallel and have thermal contact with the heater or cooler, respectively.
  • thermoelectric cooling module (source [6]: patent RU 2117362, published 10.08.1998).
  • This is a classic thermoelectric module design.
  • the module contains semiconductor branches of p- and p-types of conductivity, connected by switching buses.
  • Each switching bus located on at least one heat-exchange (heat-conducting) plate is connected to it by means of a heat-contact connection made in the form of a layer made of an elastic adhesive compound.
  • This design solution allows you to compensate for mechanical stresses resulting from thermal expansion / contraction, provides free deformation of the switching bus (conductor) in the compound layer.
  • thermoelectric module with means of compensating for thermal expansion (source [7]: patent RU 2575942).
  • the thermoelectric module has many thermoelectric elements that are located between the hot plate and the cold plate.
  • Thermoelectric elements contain two semiconductor elements that are doped with an impurity of p-type and n-type and are electrically connected. These two semiconductor elements on their upper and lower side (facing the hot side or the cold side) are mutually provided with electrically conductive jumpers, so that semiconductor elements doped with n-type and p-type impurities, respectively, are interconnected.
  • the conductive jumpers are electrically isolated from the housing containing the thermoelectric elements.
  • thermoelectric module numerous semiconductor elements are connected in series. So that the generated potential difference of successive semiconductor elements is not mutually destroyed, always alternately semiconductor elements with different main charge carriers (doped with n-type and p-type impurities) are brought into direct electrical contact.
  • the thermoelectric module comprises an outer tube (cold plate) and an inner tube (hot plate), between which there is a space in which the first strip of metal sheet and the second strip of metal sheet are located.
  • the first strip of metal sheet at one end is connected to the inner tube.
  • the second strip of sheet metal is connected at one of its ends to an external tube.
  • the stripes form an overlap in the region of which at least one pair of semiconductor elements doped with an impurity of n-type and p-type is located.
  • the jumpers (places of electrical connection) of semiconductors that are heated in this direction of electric current are spatially located in one plane, the jumpers of semiconductors that are located in another plane, so that these planes are parallel and have thermal contact with a heater or cooler.
  • thermoelectric module (source [8]: Thermoelectric coolers for industrial applications of the company Cryotherm (Thermoelectric coolers for industrial applications. Kryotherm), Internet site http://krvothermtec.com. Access mode: http://krvothermtec.com/thermoelectric-coolers -for-industrial- applications.html).
  • the thermoelectric module has many thermocouples (thermoelectric elements) that are located between the hot plate and the cold plate.
  • Thermocouples contain two semiconductor elements that are doped with an admixture of p-type and n-type and are electrically connected.
  • Thermocouples consisting of two dissimilar elements with p- and p-type conductivity are interconnected using patch plates made of copper and are enclosed between two flat ceramic plates based on aluminum oxide or nitride, through which heat is supplied on one side and heat is removed on the other .
  • the heat flux in the device is interrupted by an insulator layer (ceramic plates), the thermal conductivity of which is less than the thermal conductivity of the electrical conductors.
  • the thermal barrier prevents efficient heat transfer.
  • the design of the thermoelectric module described in analogues does not allow to develop large powers when receiving cold, as it is subject to destruction at the places of electrical and thermal connections of semiconductors (junctions, jumpers) as a result of thermal expansion / compression of materials.
  • thermoelectric element of the classical version contains a constructive error - the destructive effect of thermal expansion at the junction of semiconductors is not compensated.
  • thermoelectric module of the classic version does not solve the problem of mutual displacement of individual elements (semiconductor crystals, junctions, electrodes, heat sinks) during uneven heating and cooling of its parts.
  • thermoelectric elements consist of semiconductor crystals of p and n type, which are soldered to the plates (metal, ceramic). Under the influence of thermal expansion / contraction, the integrity of the places of electrical and thermal connections (junctions, jumpers) is broken in them cracks arise.
  • the classical thermoelectric module described in analogs (from 1 to 8) cannot work continuously under conditions of a constantly changing temperature gradient at the ends of thermoelectric elements. The classic thermoelectric module (1 to 8) is not repairable.
  • Semiconductor crystals, p and n type, forming a thermoelectric element are soldered to heat-conducting ceramic plates. When one of the semiconductor crystals is damaged 8
  • thermoelectric module it is impossible to dismantle ceramic plates and replace a damaged crystal without breaking them. Since the ceramic plates are soldered to the crystals and when they are removed, the design of the thermoelectric module is completely disrupted.
  • the design of the classical thermoelectric module, applied in analogs (from 1 to 8) does not allow placing individual semiconductor crystals in protective enclosures that prevent thermal expansion / contraction and mechanical destruction of crystals and junctions (junctions).
  • thermoelectric devices - analogues use the design of the classical design of the thermoelectric module, which has the described disadvantages, this is the reason for the lack of demand for thermoelectric generators and refrigerators in practice.
  • the classical design of the thermoelectric module could not find wide application, especially in the field of high power because the destructive effect of the physical law of thermal expansion is not eliminated at the basis of this design - a change in the geometric dimensions of the elements under the influence of temperature leads to the destruction of elements. Due to the indicated design drawback, obtaining the cold using the Peltier effect could not compete with freon coolers based on the Joule-Thomson effect.
  • thermoelectric elements from 1 to 8
  • known and currently used in thermoelectric devices are “classic” thermoelectric elements.
  • the design of the thermoelectric element, thermoelectric module and devices based on them, does not allow to develop large power when receiving cold, as it is not structurally adapted to change the geometric dimensions associated with temperature changes in the size of the materials.
  • the design (from 1 to 8) does not compensate for deformations from thermal expansion and suffers when they appear, collapsing.
  • Thermoelectric materials based on bismuth and antimony tellurides obtained by the zone recrystallization method are not suitable for industrial use and production purposes due to the small 9
  • thermoelectric elements are machined by spark cutting and are very fragile, prone to destruction under minor mechanical stresses. They are also capable of being destroyed by internal mechanical stresses arising in an unevenly heated material as a result of uneven thermal expansion and deformation of the material of the thermoelectric element.
  • Existing thermoelectric modules cannot be effectively used to produce cold in systems with a capacity of 5, 10 or more kW.
  • the problems of thermoelectric generators based on semiconductor materials with p and p type conductivity also include low efficiency (15%).
  • thermoelectric module differs from analogues in the structurally - mutual spatial position of its constituent elements.
  • existing technologies for producing thermoelectric elements can be used to create a thermoelectric module of a non-classical design, and a new technology for producing thermoelectric elements intended for the assembly of thermoelectric modules can also be used.
  • the new technology (not disclosed in this application, since it is the subject of the invention on its own), in addition to obtaining the claimed design of the thermoelectric module as described in the formula, allows to achieve higher mechanical strength of the module, which further increases its practicality and allows the wide use of thermoelectric module "Heisskalt" in industry and household, in various devices, with high efficiency and profitability.
  • the objective of the invention is to solve the problem of obtaining a cooling / heating effect of high productivity (heat and cold) due to electric energy using the Peltier effect, and to solve the problem of obtaining electric energy in a non-classical way according to the Seebeck effect.
  • the main materials used to carry out the invention are bismuth and antimony tellurides.
  • the technical problem to which the invention is directed, is to increase reliability and increase durability 10
  • thermoelectric module improving performance, such as reliability, by increasing resistance to external and internal destructive effects, mechanical and thermal effects, maintainability due to the structural design of the ability to replace a separate thermoelectric element in the module.
  • the technical result is to increase reliability, to increase resistance to external and internal thermal and mechanical damaging effects, to increase the life of the thermoelectric module.
  • thermoelectric module consists of a circuit of thermoelectric elements, each of which consists of two semiconductors, one with p type conductivity, the other with p type conductivity.
  • Semiconductors are connected in series.
  • the first junctions of the semiconductors are heated by the passage of electric current in this direction.
  • the second junctions of the semiconductors are cooled by the passage of electric current in this direction.
  • the first junctions of semiconductors have thermal contact with a heating conductor.
  • the second junctions of semiconductors have thermal contact with a cooling thermal conductor.
  • the free contact ends of the semiconductors of the extreme thermoelectric elements of the circuit are connected to the electrodes, positive and negative.
  • the semiconductors are arranged in a row with a predetermined gap between them, the semiconductors are connected through heat conductors, the heat conductors are located in the gaps between the semiconductors, one semiconductor with n type conductivity is connected to the heat conductor, the other semiconductor with p type conductivity is connected to the heat conductor.
  • a thermoelectric wire there is an electrical connection of semiconductors.
  • Each subsequent heat conductor is located above the previous one and they are at a different level, while from the first junctions of the semiconductors the heat conductor is directed in one direction, from the second joints of the semiconductors the heat conductor is directed in the opposite direction.
  • Heat conductors from the first junctions of the semiconductors are located with a given gap between them and are connected to the heater.
  • Heat conductors from the second junctions of the semiconductors are located with a given gap between them and eleven
  • the design of the Heisskalt thermoelectric module has the advantage provided by the mutual position of the semiconductors and heat conductors, the nature of the interconnection of the semiconductors by means of conductive electric current heat conductors (heat conductor). This avoids the negative effect of thermal expansion on the integrity of the structure. This allows you to place semiconductor crystals of thermoelectric elements in a protective housing (metal), which prevents the thermal expansion / contraction of materials, which helps to prevent the violation of the junction between the semiconductor crystals.
  • the advantage of the Heisskalt thermoelectric module also lies in the increased strength of semiconductor crystals, which are made using new technology. The destructive effect of thermal expansions inside the thermoelectric module is compensated by the nature of the connection of semiconductors and thermoelectric wires. In contrast to the known analogues, the proposed technical solution has an extended service life. The design allows you to replace damaged crystals.
  • thermoelectric module allows you to create efficient cooling and heating systems of high power, as well as electrical energy generators that run on any form of thermal energy.
  • the claimed thermoelectric module allows you to effectively use the Seebeck effect, the Peltier effect and widely used in everyday life and industry, thermoelectric cooling devices, thermoelectric heaters, thermoelectric power generators.
  • thermoelectric module used in analogues
  • thermoelectric module Heisskalt
  • thermoelectric module (figure 2) consists of a circuit of thermoelectric elements 1 (thermocouples), each of which consists of two semiconductors, one 2 with conductivity n type, the other 3 with conductivity p type.
  • Semiconductors 2,3 are connected in series.
  • Semiconductors 2,3 (crystals) are made of bismuth and antimony tellurides obtained by the zone recrystallization method.
  • the first junctions of 4 semiconductors 2,3 are heated by the passage of electric current in this direction.
  • the second junctions 5 of the semiconductors 2,3 are cooled by the passage of electric current in this direction.
  • the first junction of 4 semiconductors 2,3 have thermal contact with the heating conductor 6 heating.
  • the second connection points 5 of the semiconductors 2,3 have thermal contact with the cooling heat conductor 7.
  • the free contact ends of 8.9 semiconductors of 10.11 extreme thermoelectric elements 1 of the circuit are connected to the electrodes, positive 12 and negative 13.
  • Semiconductors 2,3 are arranged in a row with a given gap 14 between them.
  • the connection of the semiconductors 2,3 is made through thermoelectric wires 6,7.
  • Thermoelectric wires 6,7 are located in the gaps between the semiconductors 2,3.
  • One semiconductor 2 with p type conductivity is connected to the heat conductor 6 (7)
  • another semiconductor 2 with p type conductivity is connected to the heat conductor 6 (7).
  • thermoelectric conductor 6,7 is located above the previous one, and they are at a different level with it, while from the first connection points 4 of the semiconductors 2,3, the thermal conductor 6 is directed to one side, from the second connection points of the 5 semiconductors 2,3, the heat conductor 7 is directed to opposite side.
  • Heat conductors 6 from the first connection points 4 of semiconductors 2,3 are located with a predetermined gap between them and are connected to a heater 15.
  • Heat conductors 7 from the second connection points 5 of semiconductors 2,3 are located with a predetermined gap between them and are connected to a cooler 16.
  • Semiconductor crystals 2, 3 thermoelectric elements 1, are placed in a protective housing 17 (metal). Case 17 which prevents thermal expansion / contraction of materials, which helps to prevent violation of the junction 4,5 between semiconductor crystals 2,3.
  • thermoelectric module device Description of the operation of the thermoelectric module device.
  • thermoelectric module For heating or cooling, the thermoelectric module is connected to a direct current circuit.
  • the free contact ends of 8.9 semiconductors of 10.11 extreme thermoelectric elements 1 of the circuit are connected to the positive 12 and negative 13 electrodes.
  • An electric current flows through the circuit of thermoelectric elements 1 (thermocouples), and causes heating of the first junction of 4 semiconductors 2,3.
  • Electric current flows through the circuit of thermoelectric elements 1 (thermocouples), causes cooling (heat absorption) of the second junctions 5 of semiconductors 2,3 (Peletier effect).
  • the first connection points of 4 semiconductors 2,3 transfer thermal energy through the heating heat conductor 6 to the heater 15.
  • the second connection points 5 of semiconductors 2,3 take heat energy (cold) through the cooling heat conductor 7 from the cooler 16.
  • thermoelectric module is used as a portable refrigerator.
  • thermoelectric module To obtain electrical energy, the thermoelectric module is placed in the external environment so that the heater 15 and cooler 16 have different temperatures.
  • the heater 15 transfers thermal energy to the heat conductor 6.
  • the cooler 16 collects (removes) thermal energy through the heat conductor 7.
  • a temperature difference between the heat conductors 6,7 is provided in semiconductors 2,3, a potential difference occurs, an electric current is generated in the circuit of thermoelectric elements 1. This is due to the Seebeck effect.
  • semiconductors 2,3 are located in one a row with a predetermined gap 14 between them, the connection of semiconductors 2,3 is made through heat conductors 6,7, each subsequent heat conductors 6,7 is located above the previous one, and they are at different levels, and the temperature difference between the heat conductors 6,7 is directed in opposite directions, and thermal expansion / contraction of materials, do not cause deformation capable of destroying joints 4,5.
  • the housing 17 prevents thermal expansion / contraction of materials, which helps to prevent violation of the junction 4,5 between semiconductors 2,3. Thermal energy is directly converted into electrical energy, which allows the efficient use of waste heat, for example, the heat of an internal combustion engine.
  • thermoelectric module made of thermoelectric modules is simple in design and is in a more favorable condition for miniaturization compared to other types of energy sources or cooling devices, providing high utility.
  • thermoelectric device for use in a thermoelectric energy source, there will be no problem of electrolyte leakage or power reduction, as in the case of a redox element, and the thermoelectric device, therefore, has prospects for use in portable devices and in industrial installations.
  • thermoelectric module which provides resistance to external and internal destructive thermal and mechanical effects of the thermoelectric module
  • the reliability and durability of devices using the Peltier and Seebeck effect are increased, their application efficiency and operational qualities, such as reliability, maintainability, are improved.
  • the invention is applicable for the specified purpose and provides the claimed technical result.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

The invention relates to thermoelectric devices and can be used in heating and cooling installations. A thermoelectric module consists of a series of thermoelements (1) consisting of semiconductors (2) of n-type conductivity and semiconductors (3) of p-type conductivity. The semiconductors (2) and (3) are connected via heat conductors (6) and (7). The heat conductors (6) are directed in one direction from first junctions (4) of the semiconductors (2) and (3), and the heat conductors (7) are directed in the opposite direction from second junctions (5) of the semiconductors (2) and (3). The heat conductors (6) are connected to a heater (15) and the heat conductors (7) are connected to a cooler (16).

Description

1  1
(54) ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ (54) THERMOELECTRIC MODULE
Область техники.  The field of technology.
Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам. Изобретение может найти применение в нагревательных и охлаждающих устройствах, в оборудовании для кондиционирования воздуха, в измерительной и медицинской технике. Термоэлектрический модуль может быть применен для создания термоэлектрического генератора.  The invention relates to thermoelectric devices. The invention can find application in heating and cooling devices, in equipment for air conditioning, in measuring and medical equipment. The thermoelectric module can be used to create a thermoelectric generator.
Предшествующий уровень техники.  The prior art.
В технике известны термоэлектрические устройства (например, описанные в патентах SU 1179045, US 20110258995, JP 7-307493, WO 1988005964, JP2007184416, US20120049315, JP 2001185768, RU 85756, JP 9321349, US 5584183, JP 2002232027, JP 2006049872, JP 2002353524) в основе функционирования которых лежит использование известных термоэлектрических физических явлений (эффектов), обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. К термоэлектрическим явлениям относятся эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона. Эффект Пельтье является основой термоэлектрического охлаждения. Эффект Зеебека лежит в основе конструирования термоэлектрических генераторов. Термоэлектрические материалы могут преобразовывать электрическую энергию в термическую энергию (эффект Пельтье). Термоэлектрические материалы могут преобразовывать термическую энергию в электрическую энергию (эффект Зеебека).  Thermoelectric devices are known in the art (for example, those described in patents SU 1179045, US20110258995, JP 7-307493, WO 1988005964, JP2007184416, US20120049315, JP 2001185768, RU 85756, JP 9321349, US 5584183, JP 2002232027, JP 2006049572, JP 2006049572, JP the functioning of which is based on the use of known thermoelectric physical phenomena (effects) due to the relationship between thermal and electrical processes in metals and semiconductors. Thermoelectric phenomena include the Seebeck effect, the Peltier effect, and the Thomson effect. The Peltier effect is the basis of thermoelectric cooling. The Seebeck effect underlies the design of thermoelectric generators. Thermoelectric materials can convert electrical energy into thermal energy (Peltier effect). Thermoelectric materials can convert thermal energy into electrical energy (Seebeck effect).
Классическая конструкция термоэлектрического модуля (фиг.1) с использованием полупроводников с п и р типом проводимости предложена академиком А.Ф. Иоффе в 1929 г. (источник [1]: Иоффе А.Ф., Физика полупроводников, Изд. АН СССР, Москва, Ленинград, 1957 г.). Принципиальная схема конструирования термоэлектрических модулей до настоящего времени остается неизменной. Классический термоэлектрический модуль состоит из цепи (ряд, набор) термоэлектрических элементов поз.1 (фиг.1), образованных электрически связанными полупроводниками п и р типа поз.2,3 (фиг.1). Один термоэлектрический элемент содержит полупроводник п типа и полупроводник р типа, которые имеют электрическое соединение (спай, металлический мостик) 4,5 (фиг.1) с одних концов, а крайние полупроводники 10,11 свободными концами 8,9 2 The classical design of the thermoelectric module (Fig. 1) using semiconductors with p and p type of conductivity was proposed by academician A.F. Ioffe in 1929 (source [1]: Ioffe A.F., Semiconductor Physics, Publishing House of the USSR Academy of Sciences, Moscow, Leningrad, 1957). The basic design scheme for thermoelectric modules remains unchanged to date. The classical thermoelectric module consists of a chain (row, set) of thermoelectric elements pos. 1 (Fig. 1) formed by electrically connected semiconductors n and p of the type pos. 2,3 (Fig. 1). One thermoelectric element contains an n-type semiconductor and a p-type semiconductor, which have an electrical connection (junction, metal bridge) 4,5 (figure 1) at one end, and the extreme semiconductors 10,11 free ends 8,9 2
(фиг.1) (фиг.1) подключены к токопроводам, то есть к положительному 12 (фиг.1) и отрицательному 13 (фиг.1) электродам. Полупроводники 2,3 расположены в ряд с заданным промежутком 14 (фиг.1) между ними. Такое соединение полупроводников п и р типа образует термопару, которая способна нагреваться или охлаждаться при протекании через нее электрического тока, в зависимости от его направления. При нагреве термопары на ее свободных концах возникает электрический потенциал, между концами полупроводников п и р типа образуется потенциал электрического напряжения. Термоэлектрические элементы, соединенные в цепь, подключают последовательно, так что электрический выход одного полупроводника связан с электрическим входом другого, при этом электрический вход начального крайнего полупроводника подключен к одному токопроводу (например положительному электроду), а электрический выход конечного крайнего полупроводника подключен к другому токопроводу (например отрицательному электроду). При протекании электрического тока заданного направления в цепи термоэлектрических элементов одни места электрического соединения полупроводников нагреваются, другие охлаждаются. При изменении направления электрического тока, места электрического соединения, которые ранее нагревались, начинают охлаждаться и наоборот. Для того чтобы отводить тепло/холод от мест электрического соединения полупроводников, места электрического соединения полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно располагают в одной плоскости, места электрического соединения полупроводников которые охлаждаются при данном направлении электрического тока располагают в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны. Все места соединения полупроводников при этом имеют тепловой контакт с теплопроводом 6,7 (фиг.1). Теплопровод при данном направлении протекания электрического тока по цепи может охлаждаться или нагреваться. Все места электрического соединения полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока имеют тепловой контакт с нагревателем (например, выполненным в виде керамической пластины). Все места электрического соединения полупроводников которые охлаждается при данном направлении электрического тока имеют тепловой контакт с охладителем (например, выполненным в виде керамической пластины). В результате при работе термоэлектрического модуля возникает перепад температуры, присутствует градиент температуры от поверхности 3 (Fig. 1) (Fig. 1) are connected to the conductors, that is, to the positive 12 (Fig. 1) and negative 13 (Fig. 1) electrodes. Semiconductors 2,3 are arranged in a row with a predetermined gap 14 (FIG. 1) between them. Such a combination of p and p type semiconductors forms a thermocouple that can heat or cool when an electric current flows through it, depending on its direction. When a thermocouple is heated, an electric potential arises at its free ends, and an electric voltage potential forms between the ends of semiconductors of type n and p. Thermoelectric elements connected in a circuit are connected in series, so that the electrical output of one semiconductor is connected to the electrical input of another, while the electrical input of the initial extreme semiconductor is connected to one current path (for example, a positive electrode), and the electrical output of the final extreme semiconductor is connected to another current path ( e.g. negative electrode). When an electric current of a given direction flows in a circuit of thermoelectric elements, some places of the electrical connection of the semiconductors are heated, while others are cooled. When the direction of the electric current changes, the places of the electrical connection that were previously heated begin to cool and vice versa. In order to remove heat / cold from the electrical connection of semiconductors, the electrical connection of semiconductors that are heated in a given direction of electric current are spatially located in one plane, the electrical connection of semiconductors that are cooled in a given direction of electric current are located in another plane, so that these planes are parallel. All the junction of the semiconductors in this case have thermal contact with the heat conductor 6,7 (figure 1). The heat conduit for a given direction of electric current flow through the circuit can be cooled or heated. All places of electrical connection of semiconductors that are heated in a given direction of electric current have thermal contact with a heater (for example, made in the form of a ceramic plate). All places of electrical connection of semiconductors that are cooled in a given direction of electric current have thermal contact with a cooler (for example, made in the form of a ceramic plate). As a result, when the thermoelectric module is operating, a temperature difference occurs, there is a temperature gradient from the surface 3
первого (нагретого) теплопровода, через первые (нагретые) места соединения полупроводников, тела полупроводников, через вторые (холодные) места соединения полупроводников, до поверхности второго (холодного) теплопровода. Термоэлектрический элемент термоэлектрического модуля состоит из полупроводниковых стержней (из материалов с проводимостью п и р типа), концы которых соединены электропроводным и теплопроводным мостиком (как правило металлическим), теплопроводы выполняют из керамических пластин. При этом в материалах полупроводников, теплопроводов, местах соединения полупроводников возникают температурные изменения геометрических размеров (тепловое расширение). Чтобы получить усталостно прочный термоэлектрический модуль, тепловые расширения внутри термоэлектрического модуля должны компенсироваться. Конструкция термоэлектрического модуля не должна разрушаться от собственного теплового воздействия. the first (heated) heat conduit, through the first (heated) junctions of the semiconductors, the semiconductor bodies, through the second (cold) junctions of the semiconductors, to the surface of the second (cold) heat conduit. The thermoelectric element of the thermoelectric module consists of semiconductor rods (of materials with conductivity of p and p type), the ends of which are connected by an electrically conductive and heat-conducting bridge (usually metal), the heat conductors are made of ceramic plates. In this case, temperature changes in geometric dimensions (thermal expansion) occur in materials of semiconductors, heat conductors, and junctions of semiconductors. In order to obtain a fatigue-resistant thermoelectric module, thermal expansions inside the thermoelectric module must be compensated. The design of the thermoelectric module should not be destroyed by its own thermal effects.
Известно устройство термоэлектрического элемента (источник [2]: патент RU 2654376). Содержит левый полупроводниковый стержень из материала п проводимости, например, висмута, правый полупроводниковый стержень из материала р проводимости, например сурьмы. Верхние части полупроводниковых стержней электрически соединены, имеют электрический и тепловой контакт с медной пластиной нагревателя. Нижние части полупроводниковых стержней имеют электрический и тепловой контакт с медными токосьемниками (электродами) охладителя. При работе присутствует градиент температуры. Места контакта полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно расположены в одной плоскости, места контакта полупроводников которые расположены в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны и имеют тепловой контакт с медными пластинами нагревателя и охладителя.  A device of a thermoelectric element is known (source [2]: patent RU 2654376). It contains a left semiconductor rod of conductivity material, for example, bismuth, a right semiconductor rod of conductivity material p, for example antimony. The upper parts of the semiconductor rods are electrically connected, have electrical and thermal contact with the copper plate of the heater. The lower parts of the semiconductor rods have electrical and thermal contact with copper current collectors (electrodes) of the cooler. During operation, there is a temperature gradient. The contact points of the semiconductors that are heated in a given direction of electric current are spatially located in one plane, the contact points of the semiconductors that are located in another plane, so that these planes are parallel and have thermal contact with the copper plates of the heater and cooler.
Известно термоэлектрическое устройство (источник [3]: патент RU 2173007. Конвенционный приоритет: 25.08.1997 JP 9-228094, Публикация РСТ: WO 99/10937). Множество термоэлектрических полупроводников п- и р-типа регулярно расположены (образуют цепь) таким образом, что обе их торцевые грани образуют расположенные приблизительно на одном уровне торцевые поверхности межсоединения (места соединения) и соединены вместе через изоляцию. Электроды межсоединения для попеременного электрического соединения термоэлектрических полупроводников п- и p-типа образованы на обеих торцевых поверхностях межсоединения. Пара соединительных электродов образована для электрического соединения с термоэлектрическими полупроводниками, соответствующими одному концу и другому концу множества термоэлектрических полупроводников. Одна из торцевых поверхностей межсоединения блока термоэлектрических элементов вставлена в отверстие гибкой печатной схемы и затем прикреплена к верхней грани пластины теплопроводности через изоляционный слой. Пара соединительных электродов электрически соединена с парой входной/выходной электродов, образованной на гибкой печатной схеме. Места соединения полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно расположены в одной плоскости, места соединения полупроводников которые расположены в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны и имеют тепловой контакт с нагревателем или с охладителем. A thermoelectric device is known (source [3]: patent RU 2173007. Convention priority: 08.25.1997 JP 9-228094, PCT publication: WO 99/10937). Many p- and p-type thermoelectric semiconductors are regularly arranged (form a circuit) in such a way that both of their end faces form the end surfaces of the interconnect (junctions) located at approximately the same level and are connected together through insulation. Interconnect electrodes for alternating electrical connection of p- and p-type thermoelectric semiconductors are formed on both end surfaces of the interconnect. A pair of connecting electrodes is formed for electrical connection with thermoelectric semiconductors corresponding to one end and the other end of a plurality of thermoelectric semiconductors. One of the end surfaces of the interconnect of the block of thermoelectric elements is inserted into the hole of the flexible printed circuit and then attached to the upper face of the plate of thermal conductivity through the insulating layer. A pair of connecting electrodes is electrically connected to a pair of input / output electrodes formed on a flexible printed circuit. The connection points of the semiconductors that are heated in a given direction of electric current are spatially located in one plane, the connection points of the semiconductors that are located in another plane, so that these planes are parallel and have thermal contact with the heater or cooler.
Известна конструкция классического термоэлектрического устройства (источник [4]: патент Японии 58-64075). В данном аналоге термоэлектрические полупроводники двух различных типов проводимости, p-типа и n-типа, образуют термоэлектрические элементы (термопара), которые размещены последовательно таким образом, что множество полупроводников сведено в двумерное расположение, и каждый термоэлектрический элемент электрически соединен с другим последовательно через пластины электродов. Верхняя поверхность и нижняя поверхность электродов являются гранями, на которых расположены соответственно "горячие" спаи и "холодные" спаи полупроводников. Спаи это места электрического и теплового соединения полупроводников.  A known construction of a classical thermoelectric device (source [4]: Japanese patent 58-64075). In this analogue, thermoelectric semiconductors of two different types of conductivity, p-type and n-type, form thermoelectric elements (thermocouple), which are arranged in series so that many semiconductors are brought into a two-dimensional arrangement, and each thermoelectric element is electrically connected to the other in series through plates electrodes. The upper surface and the lower surface of the electrodes are the faces on which the "hot" junctions and the "cold" junctions of the semiconductors are respectively located. Joints are places of electrical and thermal connection of semiconductors.
Известна конструкция элемента Пельтье или элемента Зеебека (источник [5]: патент Японии JP4850070, патентная заявка US20090007952). Конструкция состоит из набора термоэлектрических элементов образованных электрически связанными полупроводниками п и р типов. Полупроводники последовательно электрически соединены и одни соединения полупроводников имеют тепловой контакт с нагревателем, а другие соединения с охладителем. Термоэлектрический элемент термоэлектрического модуля состоит из полупроводниковых кристаллов двух типов с проводимостью п и р типа, концы которых электрически соединены металлическим мостиком (место электрического и теплового соединения), свободные концы полупроводниковых кристаллов соединены с электродами. Металлические мостики которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно расположены в одной плоскости, металлические мостики которые охлаждаются при данном направлении электрического тока расположены в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны и имеют тепловой контакт соответственно с нагревателем или с охладителем. A known construction of a Peltier element or Seebeck element (source [5]: Japanese patent JP4850070, patent application US20090007952). The design consists of a set of thermoelectric elements formed by electrically connected semiconductors of p and p types. Semiconductors are electrically connected in series and some semiconductor connections have thermal contact with the heater and other connections with the cooler. The thermoelectric element of the thermoelectric module consists of two types of semiconductor crystals with p and p type conductivity, the ends of which are electrically connected by a metal bridge (the place of electrical and thermal connections), the free ends of the semiconductor crystals are connected to the electrodes. Metal bridges that heat in this direction of electric current are spatially located in one plane, metal bridges which are cooled in a given direction of electric current are located in another plane, so that these planes are parallel and have thermal contact with the heater or cooler, respectively.
Известен термоэлектрический охлаждающий модуль (источник [6]: патент RU 2117362, опубликован 10.08.1998). Это классическая конструкция термоэлектрического модуля. Модуль содержит полупроводниковые ветви п- и р- типов проводимости, соединенные коммутационными шинами. Каждая коммутационная шина, расположенная по крайне мере на одной теплообменной (теплопроводной) пластине, присоединена к ней посредством теплоконтактного соединения, выполненного в виде слоя, изготовленного из упругого клеевого компаунда. Данное конструктивное решение позволяет скомпенсировать механические напряжения возникающие в следствие теплового расширения/сжатия, обеспечивается свободная деформация коммутационной шины (токопровода) в слое компаунда. Места электрического соединения полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно расположены в одной плоскости, места электрического соединения полупроводников которые охлаждаются расположены в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны и имеют тепловой контакт с нагревателем или с охладителем. Данное техническое решение не позволяет существенно увеличить ресурс устройства из-за температурной деструкции компаунда при длительном термоциклировании в процессе эксплуатации изделия.  Known thermoelectric cooling module (source [6]: patent RU 2117362, published 10.08.1998). This is a classic thermoelectric module design. The module contains semiconductor branches of p- and p-types of conductivity, connected by switching buses. Each switching bus located on at least one heat-exchange (heat-conducting) plate is connected to it by means of a heat-contact connection made in the form of a layer made of an elastic adhesive compound. This design solution allows you to compensate for mechanical stresses resulting from thermal expansion / contraction, provides free deformation of the switching bus (conductor) in the compound layer. The electrical connections of the semiconductors that are heated in a given direction of electric current are spatially located in one plane, the electrical connections of the semiconductors that are cooled are located in another plane, so that these planes are parallel and have thermal contact with the heater or cooler. This technical solution does not significantly increase the resource of the device due to the temperature destruction of the compound during prolonged thermal cycling during operation of the product.
Известен термоэлектрический модуль со средствами компенсации теплового расширения (источник [7]: патент RU 2575942). Термоэлектрический модуль имеет множество термоэлектрических элементов, которые расположены между горячей пластиной и холодной пластиной. Термоэлектрические элементы содержат, два полупроводниковых элемента, которые легированы примесью р- типа и n-типа и электрически связаны. Эти два полупроводниковых элемента на своей верхней и нижней стороне (обращенной к горячей стороне или же холодной стороне) взаимно снабжены электропроводными перемычками, так что легированные соответственно примесью n-типа и p-типа полупроводниковые элементы соединены между собой. Электропроводные перемычки электрически изолируются от корпуса вмещающего термоэлектрические элементы. В 6 Known thermoelectric module with means of compensating for thermal expansion (source [7]: patent RU 2575942). The thermoelectric module has many thermoelectric elements that are located between the hot plate and the cold plate. Thermoelectric elements contain two semiconductor elements that are doped with an impurity of p-type and n-type and are electrically connected. These two semiconductor elements on their upper and lower side (facing the hot side or the cold side) are mutually provided with electrically conductive jumpers, so that semiconductor elements doped with n-type and p-type impurities, respectively, are interconnected. The conductive jumpers are electrically isolated from the housing containing the thermoelectric elements. IN 6
термоэлектрическом модуле, многочисленные полупроводниковые элементы включены последовательно. Чтобы сгенерированная разность потенциалов последовательных полупроводниковых элементов взаимно не уничтожалась, всегда попеременно полупроводниковые элементы с разными основными носителями заряда (легированные примесью n-типа и p-типа) приведены в прямой электрический контакт. Конструктивно термоэлектрический модуль, содержит внешнюю трубку (холодная пластина) и внутреннюю трубку (горячая пластина), между которыми имеется пространство, в котором расположена первая полоса из металлического листа и вторая полоса из металлического листа. Первая полоса из металлического листа одним концом соединены с внутренней трубкой. Вторая полоса из металлического листа одним из своих концов соединена с внешней трубкой. Полосы образуют перекрытие, в области которого расположена по меньшей мере одна пара полупроводниковых элементов легированных примесью n-типа и p-типа. Перемычки (места электрического соединения) полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно расположены в одной плоскости, перемычки полупроводников которые расположены в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны и имеют тепловой контакт с нагревателем или с охладителем. thermoelectric module, numerous semiconductor elements are connected in series. So that the generated potential difference of successive semiconductor elements is not mutually destroyed, always alternately semiconductor elements with different main charge carriers (doped with n-type and p-type impurities) are brought into direct electrical contact. Structurally, the thermoelectric module comprises an outer tube (cold plate) and an inner tube (hot plate), between which there is a space in which the first strip of metal sheet and the second strip of metal sheet are located. The first strip of metal sheet at one end is connected to the inner tube. The second strip of sheet metal is connected at one of its ends to an external tube. The stripes form an overlap in the region of which at least one pair of semiconductor elements doped with an impurity of n-type and p-type is located. The jumpers (places of electrical connection) of semiconductors that are heated in this direction of electric current are spatially located in one plane, the jumpers of semiconductors that are located in another plane, so that these planes are parallel and have thermal contact with a heater or cooler.
Известен термоэлектрический модуль (источник [8]: Термоэлектрические охладители для промышленного применения компании Криотерм (Thermoelectric coolers for industrial applications. Kryotherm), интернет сайт http://krvothermtec.com. Режим доступа: http://krvothermtec.com/thermoelectric-coolers-for-industrial- applications.html). Термоэлектрический модуль имеет множество термопар (термоэлектрических элементов), которые расположены между горячей пластиной и холодной пластиной. Термопары содержат, два полупроводниковых элемента, которые легированы примесью p-типа и n-типа и электрически связаны. Термопары, состоящие из двух разнородных элементов с р- и п-типом проводимости соединены между собой при помощи коммутационных пластин из меди и заключены между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия, через которые с одной стороны подводится, а с другой отводится тепло. Тепловой поток в устройстве прерывается слоем изолятора (керамические пластины), теплопроводность которого меньше теплопроводности проводников электричества. Тепловой барьер препятствует эффективной передаче тепла. Конструкция термоэлектрического модуля описанная в аналогах (от 1 до 8) не позволяет развивать большие мощности при получения холода, так как подвержена разрушению в местах электрического и теплового соединения полупроводников (спаи, перемычки) в результате теплового расширения/сжатия материалов. Это обусловлено тем, что все перемычки (места электрического и теплового соединения) между полупроводниками, которые нагреваются при данном направлении электрического тока, пространственно расположены в одной плоскости, все перемычки между полупроводниками, которые охлаждаются при данном направлении электрического тока пространственно также расположены в одной плоскости. Known thermoelectric module (source [8]: Thermoelectric coolers for industrial applications of the company Cryotherm (Thermoelectric coolers for industrial applications. Kryotherm), Internet site http://krvothermtec.com. Access mode: http://krvothermtec.com/thermoelectric-coolers -for-industrial- applications.html). The thermoelectric module has many thermocouples (thermoelectric elements) that are located between the hot plate and the cold plate. Thermocouples contain two semiconductor elements that are doped with an admixture of p-type and n-type and are electrically connected. Thermocouples consisting of two dissimilar elements with p- and p-type conductivity are interconnected using patch plates made of copper and are enclosed between two flat ceramic plates based on aluminum oxide or nitride, through which heat is supplied on one side and heat is removed on the other . The heat flux in the device is interrupted by an insulator layer (ceramic plates), the thermal conductivity of which is less than the thermal conductivity of the electrical conductors. The thermal barrier prevents efficient heat transfer. The design of the thermoelectric module described in analogues (from 1 to 8) does not allow to develop large powers when receiving cold, as it is subject to destruction at the places of electrical and thermal connections of semiconductors (junctions, jumpers) as a result of thermal expansion / compression of materials. This is due to the fact that all jumpers (places of electrical and thermal connections) between semiconductors that are heated in a given direction of electric current are spatially located in the same plane, all jumpers between semiconductors that are cooled in this direction of electric current are spatially also located in one plane.
Аналоги (от 1 до 8) в местах соединения полупроводников не имеют средств компенсации механических напряжений возникающих от теплового расширения/сжатия. В конструкции термоэлектрического элемента классического варианта (от 1 до 8) и термоэлектрических модулей на их основе, заложена конструктивная ошибка - не компенсируется разрушающее действие теплового расширения в местах соединения полупроводников. В конструкции термоэлектрического модуля классического варианта не решена проблема взаимного смещения отдельных элементов (полупроводниковых кристаллов, мест спаев, электродов, теплоотводов) при неравномерном нагревании и охлаждении его частей. При наличии значительного градиента температуры, термоциклировании, в материалах термоэлектрического модуля реализация закона теплового расширения, изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры, приводит к нарушению целостности термоэлектрического элемента. Термоэлектрические элементы состоят из полупроводниковых кристаллов р и п типа, которые припаяны к пластинам (металлическим, керамическим). Под действием теплового расширения/сужения, нарушается целостность мест электрического и теплового соединения (спаев, перемычек) в них возникают трещины. Классический термоэлектрический модуль, описанный в аналогах (от 1 до 8), в условиях постоянно меняющегося градиента температуры на концах термоэлектрических элементов продолжительно работать не может. Классический термоэлектрический модуль (от 1 до 8) не ремонтопригоден. Полупроводниковые кристаллы, р и п типа, образующие термоэлектрический элемент припаяны к теплопроводным керамическим пластинам. В случае когда один из полупроводниковых кристаллов поврежден 8 Analogs (from 1 to 8) at the junction of semiconductors do not have means to compensate for mechanical stresses arising from thermal expansion / contraction. The design of the thermoelectric element of the classical version (from 1 to 8) and thermoelectric modules based on them contains a constructive error - the destructive effect of thermal expansion at the junction of semiconductors is not compensated. The design of the thermoelectric module of the classic version does not solve the problem of mutual displacement of individual elements (semiconductor crystals, junctions, electrodes, heat sinks) during uneven heating and cooling of its parts. In the presence of a significant temperature gradient, thermal cycling, in the materials of the thermoelectric module, the implementation of the law of thermal expansion, a change in the linear dimensions and shape of the body with a change in its temperature, violates the integrity of the thermoelectric element. Thermoelectric elements consist of semiconductor crystals of p and n type, which are soldered to the plates (metal, ceramic). Under the influence of thermal expansion / contraction, the integrity of the places of electrical and thermal connections (junctions, jumpers) is broken in them cracks arise. The classical thermoelectric module described in analogs (from 1 to 8) cannot work continuously under conditions of a constantly changing temperature gradient at the ends of thermoelectric elements. The classic thermoelectric module (1 to 8) is not repairable. Semiconductor crystals, p and n type, forming a thermoelectric element are soldered to heat-conducting ceramic plates. When one of the semiconductor crystals is damaged 8
невозможен демонтаж керамических пластин и замена поврежденного кристалла, без их разрушения. Так как керамические пластины припаяны к кристаллам и при их демонтаже полностью нарушается конструкция термоэлектрического модуля. Конструкция классического термоэлектрического модуля, примененная в аналогах (от 1 до 8), не позволяет поместить отдельно взятые полупроводниковые кристаллы в защитные корпуса препятствующие тепловому расширению/ сужению и механическому разрушению кристаллов и мест соединения (спаев). it is impossible to dismantle ceramic plates and replace a damaged crystal without breaking them. Since the ceramic plates are soldered to the crystals and when they are removed, the design of the thermoelectric module is completely disrupted. The design of the classical thermoelectric module, applied in analogs (from 1 to 8), does not allow placing individual semiconductor crystals in protective enclosures that prevent thermal expansion / contraction and mechanical destruction of crystals and junctions (junctions).
Современные термоэлектрические устройства - аналоги (от 1 до 8), используют конструкцию классическую конструкцию термоэлектрического модуля, обладающую описанными недостатками, в этом заключается причина невостребованности термоэлектрических генераторов и холодильников в практической деятельности. Классическая конструкция термоэлектрического модуля не смогла найти широкого применения, особенно в области больших мощностей потому, что в основе этой конструкции не устранено разрушающее действие физического закона теплового расширения - изменение геометрических размеров элементов под действием температуры приводит разрушению элементов. В связи указанным конструктивным недостатком получение холода с использованием эффекта Пельтье не смогло конкурировать с фреоновыми охладителями, работающими на основе эффекта Джоуля-Томсона.  Modern thermoelectric devices - analogues (from 1 to 8), use the design of the classical design of the thermoelectric module, which has the described disadvantages, this is the reason for the lack of demand for thermoelectric generators and refrigerators in practice. The classical design of the thermoelectric module could not find wide application, especially in the field of high power because the destructive effect of the physical law of thermal expansion is not eliminated at the basis of this design - a change in the geometric dimensions of the elements under the influence of temperature leads to the destruction of elements. Due to the indicated design drawback, obtaining the cold using the Peltier effect could not compete with freon coolers based on the Joule-Thomson effect.
Таким образом на сегодняшний день в конструкции известных термоэлектрических модулей (от 1 до 8) существуют следующие проблемы. Термоэлектрические элементы (от 1 до 8) известные и на сегодняшний день применяемые в термоэлектрических устройствах это «классические» термоэлектрические элементы. Конструкция термоэлектрического элемента, термоэлектрического модуля и устройств на их основе, не позволяет развивать большие мощности при получения холода, так как конструктивно не приспособлена к изменению геометрических размеров, связанных с температурными изменениями размеров материалов. Существует проблема обеспечения надежности тепловых и электрических контактов между полупроводниками. Конструкция (от 1 до 8), не компенсирует деформации от теплового расширения и страдает при их появлении, разрушаясь. Thus, today in the design of known thermoelectric modules (from 1 to 8), the following problems exist. Thermoelectric elements (from 1 to 8) known and currently used in thermoelectric devices are “classic” thermoelectric elements. The design of the thermoelectric element, thermoelectric module and devices based on them, does not allow to develop large power when receiving cold, as it is not structurally adapted to change the geometric dimensions associated with temperature changes in the size of the materials. There is a problem of ensuring the reliability of thermal and electrical contacts between semiconductors. The design (from 1 to 8) does not compensate for deformations from thermal expansion and suffers when they appear, collapsing.
Термоэлектрические материалы на основе теллуридов висмута и сурьмы, полученные методом зонной перекристаллизации, не приспособлены для промышленного применения и производственных целей в связи с малой 9 Thermoelectric materials based on bismuth and antimony tellurides obtained by the zone recrystallization method are not suitable for industrial use and production purposes due to the small 9
механической прочностью. Термоэлектрические элементы обрабатываются электроискровой резкой и являются очень хрупкими, подвержены разрушению при незначительных механических нагрузках. В том числе способны разрушаться от внутренних механических напряжений возникающих в неравномерно нагретом материале в результате неравномерного теплового расширения и деформации материла термоэлектрического элемента. Существующие термоэлектрические модули невозможно эффективно использовать для получения холода в системах мощностью в 5, 10 и более кВт. К проблемам термоэлектрических генераторов на полупроводниковых материалах с п и р типом проводимости, также относится низкий КПД (15%). mechanical strength. Thermoelectric elements are machined by spark cutting and are very fragile, prone to destruction under minor mechanical stresses. They are also capable of being destroyed by internal mechanical stresses arising in an unevenly heated material as a result of uneven thermal expansion and deformation of the material of the thermoelectric element. Existing thermoelectric modules cannot be effectively used to produce cold in systems with a capacity of 5, 10 or more kW. The problems of thermoelectric generators based on semiconductor materials with p and p type conductivity also include low efficiency (15%).
Предлагаемый термоэлектрический модуль (авторы дают ему название «Heisskalt») отличается от аналогов конструктивно - взаимным пространственным положением составляющих его элементов. При этом для создания термоэлектрического модуля не классической конструкции могут быть использованы существующие технологии получения термоэлектрических элементов, а также может быть использована новая технология получения термоэлектрических элементов предназначенных для сборки термоэлектрических модулей. Новая технология (не раскрыта в данной заявке, так как самостоятельно является предметом изобретения), кроме получения заявленной конструкции термоэлектрического модуля в том виде как описано в формуле, позволяет достигать более высокой механической прочности модуля, чем дополнительно увеличивает его практичность и позволяет широко применять термоэлектрический модуль «Heisskalt» в промышленности и в быту, в различных устройствах, с высокой эффективностью и рентабельностью.  The proposed thermoelectric module (the authors give it the name "Heisskalt") differs from analogues in the structurally - mutual spatial position of its constituent elements. At the same time, existing technologies for producing thermoelectric elements can be used to create a thermoelectric module of a non-classical design, and a new technology for producing thermoelectric elements intended for the assembly of thermoelectric modules can also be used. The new technology (not disclosed in this application, since it is the subject of the invention on its own), in addition to obtaining the claimed design of the thermoelectric module as described in the formula, allows to achieve higher mechanical strength of the module, which further increases its practicality and allows the wide use of thermoelectric module "Heisskalt" in industry and household, in various devices, with high efficiency and profitability.
Сущность изобретения.  SUMMARY OF THE INVENTION
Задача изобретения заключается в решении проблемы получения охлаждающего/нагревающего эффекта большой производительности (получение тепла и холода) за счет электрической энергии с использованием эффекта Пельтье, и в решении проблемы получения электрической энергии не классическим способом согласно эффекту Зеебека. Основными материалами используемыми для осуществления изобретения являются теллуриды висмута и сурьмы.  The objective of the invention is to solve the problem of obtaining a cooling / heating effect of high productivity (heat and cold) due to electric energy using the Peltier effect, and to solve the problem of obtaining electric energy in a non-classical way according to the Seebeck effect. The main materials used to carry out the invention are bismuth and antimony tellurides.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности и увеличении долговечности 10 The technical problem to which the invention is directed, is to increase reliability and increase durability 10
термоэлектрического модуля, улучшении эксплуатационных качеств, таких как безотказность, за счет повышения устойчивости к внешнему и внутреннему разрушающему воздействию, механическому и тепловому воздействию, ремонтопригодность за счёт конструктивного обеспечения возможности замены отдельного термоэлектрического элемента в модуле. thermoelectric module, improving performance, such as reliability, by increasing resistance to external and internal destructive effects, mechanical and thermal effects, maintainability due to the structural design of the ability to replace a separate thermoelectric element in the module.
Технический результат заключается в повышении надежности, в повышении устойчивости к внешним и внутренним тепловым и механическим разрушающим воздействиям, увеличении ресурса термоэлектрического модуля.  The technical result is to increase reliability, to increase resistance to external and internal thermal and mechanical damaging effects, to increase the life of the thermoelectric module.
Технический результат обеспечивается тем, что термоэлектрический модуль состоит из цепи термоэлектрических элементов, каждый из которых состоит из двух полупроводников, один с проводимостью п типа, другой с проводимостью р типа. Полупроводники последовательно соединены. Первые места соединения полупроводников нагреваются при прохождении электрического тока в данном направлении. Вторые места соединения полупроводников охлаждаются при прохождении электрического тока в данном направлении. Первые места соединения полупроводников имеют тепловой контакт с теплоэлектропроводом нагревающим. Вторые места соединения полупроводников имеют тепловой контакт с теплоэлектропроводом охлаждающим. Свободные контактные концы полупроводников крайних термоэлектрических элементов цепи подключены к электродам, положительному и отрицательному. Отличается тем, что полупроводники расположены в ряд с заданным промежутком между ними, соединение полупроводников выполнено через теплоэлектропроводы, теплоэлектропроводы расположены в промежутках между полупроводниками, один полупроводник с проводимостью п типа соединен с теплоэлектропроводом, другой полупроводник с проводимостью р типа соединен с теплоэлектропроводом. Через теплоэлектропровод имеется электрическая связь полупроводников. Каждый следующий теплоэлектропровод расположен над предыдущим и они находятся на разном уровне, при этом от первых мест соединения полупроводников теплоэлектропровод направлен в одну сторону, от вторых мест соединения полупроводников теплоэлектропровод направлен в противоположную сторону. Теплоэлектропроводы от первых мест соединения полупроводников расположены с заданным промежутком между ними и соединены с нагревателем. Теплоэлектропроводы от вторых мест соединения полупроводников расположены с заданным промежутком между ними и 11 The technical result is ensured by the fact that the thermoelectric module consists of a circuit of thermoelectric elements, each of which consists of two semiconductors, one with p type conductivity, the other with p type conductivity. Semiconductors are connected in series. The first junctions of the semiconductors are heated by the passage of electric current in this direction. The second junctions of the semiconductors are cooled by the passage of electric current in this direction. The first junctions of semiconductors have thermal contact with a heating conductor. The second junctions of semiconductors have thermal contact with a cooling thermal conductor. The free contact ends of the semiconductors of the extreme thermoelectric elements of the circuit are connected to the electrodes, positive and negative. It differs in that the semiconductors are arranged in a row with a predetermined gap between them, the semiconductors are connected through heat conductors, the heat conductors are located in the gaps between the semiconductors, one semiconductor with n type conductivity is connected to the heat conductor, the other semiconductor with p type conductivity is connected to the heat conductor. Through a thermoelectric wire there is an electrical connection of semiconductors. Each subsequent heat conductor is located above the previous one and they are at a different level, while from the first junctions of the semiconductors the heat conductor is directed in one direction, from the second joints of the semiconductors the heat conductor is directed in the opposite direction. Heat conductors from the first junctions of the semiconductors are located with a given gap between them and are connected to the heater. Heat conductors from the second junctions of the semiconductors are located with a given gap between them and eleven
соединены с охладителем. Указанная сущность обеспечивает достижение заявленного технического результата. connected to a cooler. The specified entity ensures the achievement of the claimed technical result.
Конструкция термоэлектрический модуля "Heisskalt" имеет преимущество обеспеченное взаимным положением полупроводников и теплопроводов, характером взаимного соединения полупроводников посредством проводящих электрический ток теплопроводов (теплоэлектропровод). Это позволяет избежать негативного влияния теплового расширения на целостность конструкции. Это позволяет поместить полупроводниковые кристаллы термоэлектрических элементов в защитный корпус (металлический), который препятствует температурному расширению/сужению материалов, что позволяет предотвратить нарушение мест соединения между полупроводниковыми кристаллами. Преимущество термоэлектрического модуля "Heisskalt" также заключается в повышенной прочности полупроводниковых кристаллов, которые сделаны по новой технологии. Разрушающее действие тепловых расширений внутри термоэлектрического модуля компенсируется характером соединения полупроводников и теплоэлектропроводов. В отличие от известных аналогов предлагаемое техническое решение имеет увеличенный в разы срок службы. Конструкция позволяет заменить повреждённые кристаллы.  The design of the Heisskalt thermoelectric module has the advantage provided by the mutual position of the semiconductors and heat conductors, the nature of the interconnection of the semiconductors by means of conductive electric current heat conductors (heat conductor). This avoids the negative effect of thermal expansion on the integrity of the structure. This allows you to place semiconductor crystals of thermoelectric elements in a protective housing (metal), which prevents the thermal expansion / contraction of materials, which helps to prevent the violation of the junction between the semiconductor crystals. The advantage of the Heisskalt thermoelectric module also lies in the increased strength of semiconductor crystals, which are made using new technology. The destructive effect of thermal expansions inside the thermoelectric module is compensated by the nature of the connection of semiconductors and thermoelectric wires. In contrast to the known analogues, the proposed technical solution has an extended service life. The design allows you to replace damaged crystals.
Заявленный термоэлектрический модуль позволяет создавать эффективные охлаждающие и нагревательные системы большой мощности, а также генераторы электрической энергии, работающие на любом виде тепловой энергии. Заявленный термоэлектрический модуль позволяет эффективно использовать эффект Зеебека, эффект Пельтье и широкого применять в быту и промышленности, термоэлектрические охлаждающие устройства, термоэлектрические нагреватели, термоэлектрические генераторы электроэнергии .  The claimed thermoelectric module allows you to create efficient cooling and heating systems of high power, as well as electrical energy generators that run on any form of thermal energy. The claimed thermoelectric module allows you to effectively use the Seebeck effect, the Peltier effect and widely used in everyday life and industry, thermoelectric cooling devices, thermoelectric heaters, thermoelectric power generators.
Следует указать на то, что приведенные в формуле по отдельности признаки могут комбинироваться между собой любым, технологически рациональным, образом и показывают дополнительные варианты осуществления изобретения. Сущность изобретения поясняется, но не ограничивается приведенным ниже описанием и графическими материалами, на которых изображено:  It should be pointed out that the characteristics given separately in the formula can be combined with each other in any technologically rational way and show additional embodiments of the invention. The invention is illustrated, but not limited to the following description and graphic materials, which depict:
фиг.1 - схема термоэлектрического модуля, применённая в аналогах; figure 1 - diagram of the thermoelectric module used in analogues;
фиг.2 -схема термоэлектрического модуля «Heisskalt». 12 figure 2 - diagram of the thermoelectric module "Heisskalt". 12
Пример осуществления изобретения.  An example embodiment of the invention.
Термоэлектрический модуль (фиг.2) состоит из цепи термоэлектрических элементов 1 (термопар), каждый из которых состоит из двух полупроводников, один 2 с проводимостью п типа, другой 3 с проводимостью р типа. Полупроводники 2,3 последовательно соединены. Полупроводники 2,3 (кристаллы) выполнены из теллуридов висмута и сурьмы, полученных методом зонной перекристаллизации. Первые места соединения 4 полупроводников 2,3 нагреваются при прохождении электрического тока в данном направлении. Вторые места соединения 5 полупроводников 2,3 охлаждаются при прохождении электрического тока в данном направлении. Первые места соединения 4 полупроводников 2,3 имеют тепловой контакт с теплоэлектропроводом 6 нагревающим. Вторые места соединения 5 полупроводников 2,3 имеют тепловой контакт с теплоэлектропроводом 7 охлаждающим. Свободные контактные концы 8,9 полупроводников 10,11 крайних термоэлектрических элементов 1 цепи подключены к электродам, положительному 12 и отрицательному 13. Полупроводники 2,3 расположены в ряд с заданным промежутком 14 между ними. Соединение полупроводников 2,3 выполнено через теплоэлектропроводы 6,7. Теплоэлектропроводы 6,7 расположены в промежутках между полупроводниками 2,3. Один полупроводник 2 с проводимостью п типа соединен с теплоэлектропроводом 6 (7), другой полупроводник с проводимостью р типа соединен с теплоэлектропроводом 6 (7). Через теплоэлектропровод 6 (7) имеется электрическая связь полупроводников 2,3. Каждый следующий теплоэлектропровод 6,7 расположен над предыдущим, и они находятся с ним на разном уровне, при этом от первых мест соединения 4 полупроводников 2,3 теплоэлектропровод 6 направлен в одну сторону, от вторых мест соединения 5 полупроводников 2,3 теплоэлектропровод 7 направлен в противоположную сторону. Теплоэлектропроводы 6 от первых мест соединения 4 полупроводников 2,3 расположены с заданным промежутком между ними и соединены с нагревателем 15. Теплоэлектропроводы 7 от вторых мест соединения 5 полупроводников 2,3 расположены с заданным промежутком между ними и соединены с охладителем 16. Полупроводниковые кристаллы 2,3 термоэлектрических элементов 1, помещены в защитный корпус 17 (металлический). Корпус 17 который препятствует температурному расширению/сужению материалов, что позволяет предотвратить нарушение мест соединения 4,5 между полупроводниковыми кристаллами 2,3. The thermoelectric module (figure 2) consists of a circuit of thermoelectric elements 1 (thermocouples), each of which consists of two semiconductors, one 2 with conductivity n type, the other 3 with conductivity p type. Semiconductors 2,3 are connected in series. Semiconductors 2,3 (crystals) are made of bismuth and antimony tellurides obtained by the zone recrystallization method. The first junctions of 4 semiconductors 2,3 are heated by the passage of electric current in this direction. The second junctions 5 of the semiconductors 2,3 are cooled by the passage of electric current in this direction. The first junction of 4 semiconductors 2,3 have thermal contact with the heating conductor 6 heating. The second connection points 5 of the semiconductors 2,3 have thermal contact with the cooling heat conductor 7. The free contact ends of 8.9 semiconductors of 10.11 extreme thermoelectric elements 1 of the circuit are connected to the electrodes, positive 12 and negative 13. Semiconductors 2,3 are arranged in a row with a given gap 14 between them. The connection of the semiconductors 2,3 is made through thermoelectric wires 6,7. Thermoelectric wires 6,7 are located in the gaps between the semiconductors 2,3. One semiconductor 2 with p type conductivity is connected to the heat conductor 6 (7), another semiconductor 2 with p type conductivity is connected to the heat conductor 6 (7). Through the heat conductor 6 (7) there is an electrical connection of semiconductors 2,3. Each subsequent thermoelectric conductor 6,7 is located above the previous one, and they are at a different level with it, while from the first connection points 4 of the semiconductors 2,3, the thermal conductor 6 is directed to one side, from the second connection points of the 5 semiconductors 2,3, the heat conductor 7 is directed to opposite side. Heat conductors 6 from the first connection points 4 of semiconductors 2,3 are located with a predetermined gap between them and are connected to a heater 15. Heat conductors 7 from the second connection points 5 of semiconductors 2,3 are located with a predetermined gap between them and are connected to a cooler 16. Semiconductor crystals 2, 3 thermoelectric elements 1, are placed in a protective housing 17 (metal). Case 17 which prevents thermal expansion / contraction of materials, which helps to prevent violation of the junction 4,5 between semiconductor crystals 2,3.
Описание работы устройства термоэлектрического модуля.  Description of the operation of the thermoelectric module device.
Для нагрева или охлаждения термоэлектрический модуль подключают к цепи постоянного электрического тока. Свободные контактные концы 8,9 полупроводников 10,11 крайних термоэлектрических элементов 1 цепи подключают к, положительному 12 и отрицательному 13 электродам. Электрический ток протекает по цепи термоэлектрических элементов 1 (термопар), и вызывает нагрев первых места соединения 4 полупроводников 2,3. Электрический ток, протекает по цепи термоэлектрических элементов 1 (термопар), вызывает охлаждение (поглощения тепла) вторых мест соединения 5 полупроводников 2,3 (эффект Пелетье). Первые места соединения 4 полупроводников 2,3 передают тепловую энергию через нагревающий теплоэлектропровод 6 нагревателю 15. Вторые места соединения 5 полупроводников 2,3 забирают тепловую энергию (холод) через охлаждающий теплоэлектропровод 7 с охладителя 16. Так как полупроводники 2,3 расположены в один ряд с заданным промежутком 14 между ними, соединение полупроводников 2,3 выполнено через теплоэлектропроводы 6,7, каждый следующий теплоэлектропровод 6,7 расположен над предыдущим, и они находятся на разных уровнях, и направлены в противоположные стороны разница температур между теплопроводами 6,7, и тепловое расширение/сжатие материалов, не вызывают деформации способных разрушить места соединения 4,5. Корпус 17 препятствует температурному расширению/сужению материалов, что позволяет предотвратить нарушение мест соединения 4,5 между полупроводниками 2,3. Термоэлектрический модуль имеет применение как портативный холодильник.  For heating or cooling, the thermoelectric module is connected to a direct current circuit. The free contact ends of 8.9 semiconductors of 10.11 extreme thermoelectric elements 1 of the circuit are connected to the positive 12 and negative 13 electrodes. An electric current flows through the circuit of thermoelectric elements 1 (thermocouples), and causes heating of the first junction of 4 semiconductors 2,3. Electric current flows through the circuit of thermoelectric elements 1 (thermocouples), causes cooling (heat absorption) of the second junctions 5 of semiconductors 2,3 (Peletier effect). The first connection points of 4 semiconductors 2,3 transfer thermal energy through the heating heat conductor 6 to the heater 15. The second connection points 5 of semiconductors 2,3 take heat energy (cold) through the cooling heat conductor 7 from the cooler 16. Since the semiconductors 2,3 are arranged in a row with a given gap 14 between them, the connection of semiconductors 2,3 is made through heat conductors 6,7, each subsequent heat conductors 6,7 is located above the previous one, and they are at different levels, and directed in the opposite s hand temperature difference between the heat conductors 6,7, and thermal expansion / contraction of materials, do not cause strain capable of destroying the junction 4.5. The housing 17 prevents thermal expansion / contraction of materials, which helps to prevent violation of the junction 4,5 between semiconductors 2,3. The thermoelectric module is used as a portable refrigerator.
Для получения электрической энергии термоэлектрический модуль помещают во внешнюю среду так, что бы нагреватель 15 и охладитель 16 имели разную температуру. Нагреватель 15 передает тепловую энергию теплоэлектропроводу 6. Охладитель 16 забирает (отводит) тепловую энергию по теплоэлектропроводу 7. При обеспечении разности температур между теплопроводами 6,7 в полупроводниках 2,3 возникает разность потенциалов, в цепи термоэлектрических элементов 1 генерируется электрический ток. Это обусловлено эффектом Зеебека. Так как полупроводники 2,3 расположены в один ряд с заданным промежутком 14 между ними, соединение полупроводников 2,3 выполнено через теплоэлектропроводы 6,7, каждый следующий теплоэлектропровод 6,7 расположен над предыдущим, и они находятся на разных уровнях, и направлены в противоположные стороны разница температур между теплопроводами 6,7, и тепловое расширение/сжатие материалов, не вызывают деформации способных разрушить места соединения 4,5. Корпус 17 препятствует температурному расширению/сужению материалов, что позволяет предотвратить нарушение мест соединения 4,5 между полупроводниками 2,3. Тепловая энергия прямо преобразуется в электрическую энергию, что позволяет эффективно использовать отработанное тепло, например, тепло двигателя внутреннего сгорания. To obtain electrical energy, the thermoelectric module is placed in the external environment so that the heater 15 and cooler 16 have different temperatures. The heater 15 transfers thermal energy to the heat conductor 6. The cooler 16 collects (removes) thermal energy through the heat conductor 7. When a temperature difference between the heat conductors 6,7 is provided in semiconductors 2,3, a potential difference occurs, an electric current is generated in the circuit of thermoelectric elements 1. This is due to the Seebeck effect. Since semiconductors 2,3 are located in one a row with a predetermined gap 14 between them, the connection of semiconductors 2,3 is made through heat conductors 6,7, each subsequent heat conductors 6,7 is located above the previous one, and they are at different levels, and the temperature difference between the heat conductors 6,7 is directed in opposite directions, and thermal expansion / contraction of materials, do not cause deformation capable of destroying joints 4,5. The housing 17 prevents thermal expansion / contraction of materials, which helps to prevent violation of the junction 4,5 between semiconductors 2,3. Thermal energy is directly converted into electrical energy, which allows the efficient use of waste heat, for example, the heat of an internal combustion engine.
Источник энергии или охладитель, изготовленный из термоэлектрический модулей, является простым по своей конструкции и находится в более благоприятном состоянии для миниатюризации по сравнению с другими типами источников энергии или охлаждающими устройствами, предоставляя высокую полезность. Например, с термоэлектрическим устройством для использования в термоэлектрическом источнике энергии не возникнет проблемы утечки электролита или уменьшения мощности, как в случае окислительно- восстановительного элемента, и термоэлектрическое устройство, следовательно, имеет перспективы для применения в портативных устройствах, и в промышленных установках.  An energy source or cooler made of thermoelectric modules is simple in design and is in a more favorable condition for miniaturization compared to other types of energy sources or cooling devices, providing high utility. For example, with a thermoelectric device for use in a thermoelectric energy source, there will be no problem of electrolyte leakage or power reduction, as in the case of a redox element, and the thermoelectric device, therefore, has prospects for use in portable devices and in industrial installations.
Таким образом, за счет использования изобретения, обеспечивающего устойчивость к внешнему и внутреннему разрушающему тепловому и механическому воздействию термоэлектрического модуля, повышается надежность и увеличивается долговечность работы устройств использующих эффект Пельтье и Зеебека, улучшается эффективность их применения и эксплуатационные качества, такие как безотказность, ремонтопригодность.  Thus, through the use of the invention, which provides resistance to external and internal destructive thermal and mechanical effects of the thermoelectric module, the reliability and durability of devices using the Peltier and Seebeck effect are increased, their application efficiency and operational qualities, such as reliability, maintainability, are improved.
Изобретение применимо по указанному назначению и обеспечивает заявленный технический результат.  The invention is applicable for the specified purpose and provides the claimed technical result.

Claims

15 ФОРМУЛА 15 FORMULA
1. Термоэлектрический модуль состоящий из цепи термоэлектрических элементов, каждый из которых состоит из двух полупроводников, один с проводимостью п типа, другой с проводимостью р типа, полупроводники последовательно соединены, первые места соединения полупроводников нагреваются при прохождении электрического тока в данном направлении, вторые места соединения полупроводников охлаждаются при прохождении электрического тока в данном направлении, первые места соединения полупроводников имеют тепловой контакт с теплоэлектропроводом нагревающим, вторые места соединения полупроводников имеют тепловой контакт с теплоэлектропроводом охлаждающим, свободные контактные концы полупроводников крайних термоэлектрических элементов цепи подключены к электродам, положительному и отрицательному, отличающийся тем, что полупроводники расположены в ряд с заданным промежутком между ними, соединение полупроводников выполнено через теплоэлектропроводы, теплоэлектропроводы расположены в промежутках между полупроводниками, один полупроводник с проводимостью п типа соединен с теплоэлектропроводом, другой полупроводник с проводимостью р типа соединен с теплоэлектропроводом, через теплоэлектропровод имеется электрическая связь полупроводников, каждый следующий теплоэлектропровод расположен над предыдущим и они находятся на разном уровне, при этом от первых мест соединения полупроводников теплоэлектропровод направлен в одну сторону, от вторых мест соединения полупроводников теплоэлектропровод направлен в противоположную сторону, теплоэлектропроводы от первых мест соединения полупроводников расположены с заданным промежутком между ними и соединены с нагревателем, теплоэлектропроводы от вторых мест соединения полупроводников расположены с заданным промежутком между ними и соединены с охладителем.  1. Thermoelectric module consisting of a chain of thermoelectric elements, each of which consists of two semiconductors, one with p type conductivity, the other with p type conductivity, semiconductors are connected in series, the first connection points of the semiconductors are heated when an electric current flows in this direction, the second connection points semiconductors are cooled by the passage of electric current in this direction, the first junctions of the semiconductors have thermal contact with the heat conductor heating, the second junctions of the semiconductors have thermal contact with the cooling thermal conductor, the free contact ends of the semiconductors of the outermost thermoelectric elements of the circuit are connected to the electrodes, positive and negative, characterized in that the semiconductors are arranged in a row with a predetermined gap between them, the semiconductors are connected through heat conductors, heat conductors located between the semiconductors, one semiconductor with n type conductivity is connected a heat-conducting wire, another semiconductor with p type conductivity is connected to the heat-conducting wire, there is an electrical connection of the semiconductors through the heat-conducting wire, each next heat-conducting wire is located above the previous one and they are at a different level, while the first heat-conducting wires are connected in one direction, from the second places of the semiconductor the thermal conductor is directed in the opposite direction, the thermal conductors from the first junctions of the semiconductors They are connected with the heater with a given gap between them and the heat and power wires from the second junctions of the semiconductors are located with the given gap between them and connected with the cooler.
2. Термоэлектрический модуль по п.1 отличающийся тем, что полупроводники заключены в защитных корпусах, а полупроводники выполнены из теллуридов висмута и сурьмы, полученных методом зонной перекристаллизации. 2. The thermoelectric module according to claim 1, characterized in that the semiconductors are enclosed in protective cases, and the semiconductors are made of bismuth and antimony tellurides obtained by the zone recrystallization method.
PCT/RU2018/000507 2018-07-30 2018-07-30 Thermoelectric module WO2020027685A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2018/000507 WO2020027685A1 (en) 2018-07-30 2018-07-30 Thermoelectric module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2018/000507 WO2020027685A1 (en) 2018-07-30 2018-07-30 Thermoelectric module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020027685A1 true WO2020027685A1 (en) 2020-02-06

Family

ID=69231215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000507 WO2020027685A1 (en) 2018-07-30 2018-07-30 Thermoelectric module

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2020027685A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5038569A (en) * 1989-04-17 1991-08-13 Nippondenso Co., Ltd. Thermoelectric converter
RU2098889C1 (en) * 1996-07-04 1997-12-10 Товарищество с ограниченной ответственностью "Комплексные термоэлектрические системы" Thermoelectric unit
RU2282274C2 (en) * 2004-06-18 2006-08-20 Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ) Thermo-electric battery
RU2507317C1 (en) * 2012-07-03 2014-02-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена" Method of forming monocrystalline films of solid bismuth-antimony solution on substrates

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5038569A (en) * 1989-04-17 1991-08-13 Nippondenso Co., Ltd. Thermoelectric converter
RU2098889C1 (en) * 1996-07-04 1997-12-10 Товарищество с ограниченной ответственностью "Комплексные термоэлектрические системы" Thermoelectric unit
RU2282274C2 (en) * 2004-06-18 2006-08-20 Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ) Thermo-electric battery
RU2507317C1 (en) * 2012-07-03 2014-02-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена" Method of forming monocrystalline films of solid bismuth-antimony solution on substrates

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
POZDNIAKOV, B.S. ET AL.: "Termoelektricheskaya energetika", ATOMIZDAT, 1974, pages 88 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1336204B1 (en) Thermoelectric module with integrated heat exchanger and method of use
RU2444814C1 (en) Thermoelectric cluster, method of its operation, device to connect active element in it with heat power line, generator (versions) and heat pump (versions) on its basis
RU2011104079A (en) SEPARATE THERMOELECTRIC STRUCTURE, DEVICES AND SYSTEMS IN WHICH THIS STRUCTURE IS USED
US8952234B2 (en) Thermoelectric device, especially intended to generate an electrical current in an automotive vehicle
AU2018220031A1 (en) Thermoelectric device
Oki et al. Numerical Optimization of Trapezoidal Thermoelectric Elements for Double-Pipe-Shaped Module
WO2020027685A1 (en) Thermoelectric module
JPH07106641A (en) Integral ring type thermoelectric conversion element and device employing same
US20180226559A1 (en) Thermoelectric conversion device
RU2335036C2 (en) Thermobattery
JP2016524438A (en) Thermoelectric device
RU2611562C1 (en) Spatially oriented thermoelectric module and method of its manufacturing
JPH08306965A (en) Thermoelectric conversion module for generation
RU2312428C2 (en) Thermoelectric battery
US20200028058A1 (en) Thermoelectric conversion device
RU2282274C2 (en) Thermo-electric battery
JP2003273412A (en) Thermoelectric conversion device
RU2269183C2 (en) Thermoelectric battery
RU2282280C2 (en) Device for fastening parts by freezing method
RU2269184C2 (en) Thermoelectric battery
RU2767595C1 (en) Thermoelectric generator
KR102333422B1 (en) Bulk thermoelectric element and manufacturing method thereof
JP2019140294A (en) Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof
TWI744717B (en) Thermoelectric power generating device and manufacturing method thereof
RU2280920C2 (en) Thermoelectric battery

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18928787

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18928787

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1