RU2270495C2 - Method for ensuring normal operation of thermoelectric battery - Google Patents

Abstract

FIELD: thermoelectric instrumentation engineering.

SUBSTANCE: semiconductor thermal cells, each made of two branches of p and n semiconductors, respectively, are interconnected into electric circuit by means of switching wafers. Butt-to-butt switching of thermal cell branches is effected at one end of each switching wafer. Heat transfer from and heat supply to switching wafers is made from their all free surfaces through sectional areas. Ratio of sectional areas of heat-supply and heat-transfer switching wafers is found from equation S₁/S₂ = 1 ε/1 + γβ, where S₁, S₂ are sectional areas of heat-supply and heat-transfer wafers, respectively; ε, γ, β are coefficients of thermoelectric battery energy conversion, length ratio of free parts of switching wafers, and ratio of temperature drop across thermal cells and switching wafers with heat-supply and heat-transfer media, respectively.

EFFECT: enhanced operating efficiency of thermoelectric battery.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к способам обеспечения функционирования термоэлектрических батарей (ТЭБ).The invention relates to thermoelectric instrumentation, in particular to methods for ensuring the functioning of thermoelectric batteries (TEB).

Известен способ обеспечения функционирования термоэлектрической батареи, описанный в [1].A known method of ensuring the operation of a thermoelectric battery described in [1].

Способ состоит в последовательном соединении в электрическую цепь посредством коммутационных пластин, полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, подводе тепла к одним, например четным, коммутационным пластинам, и отводе тепла от других, например нечетных, коммутационных пластин. Причем подвод и отвод тепла к коммутационным пластинам производятся через теплопереходы, выполненные из высокотеплопроводного диэлектрика, а термоэлементы имеют П-образную форму, где вертикальные элементы - р- и n-ветви, а горизонтальные - коммутационные пластины как в термоэлектрических батареях холодильников, так и в термоэлектрических генераторах.The method consists in series connection to the electric circuit by means of connection plates, semiconductor thermoelements, each of which is formed by two branches made of p- and n-type semiconductor, respectively, supplying heat to one, for example, even, connection plates, and removing heat from the others, e.g. odd, patch plates. Moreover, the supply and removal of heat to the connection plates is made through heat transitions made of a highly conductive dielectric, and the thermocouples have a U-shape, where the vertical elements are p- and n-branches, and the horizontal ones are connection plates both in thermoelectric batteries of refrigerators and in thermoelectric generators.

Недостатками данного способа являются наличие механических напряжений, обусловленных биметаллическим эффектом, значительных электрических и тепловых сопротивлений (коммутационных пластин и теплопереходов), теплопритоков от горячих контактов к холодным по межтермоэлементным промежуткам, снижающих эффективность функционирования ТЭБ, а также затруднение эффективного теплообмена термоэлементов с соответствующими средами.The disadvantages of this method are the presence of mechanical stresses due to the bimetallic effect, significant electrical and thermal resistances (patch plates and heat transfer), heat inflows from hot contacts to cold along the inter-element intervals, which reduce the efficiency of the fuel element, as well as the difficulty of efficient heat exchange of thermocouples with the corresponding media.

Наиболее близким к заявленному является способ обеспечения функционирования термоэлектрической батареи, заключающийся в последовательном соединении в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, причем коммутацию ветвей термоэлементов осуществляют встык на одних концах коммутационных пластин, при этом теплоотвод и теплоподвод к коммутационным пластинам осуществляют со всех их свободных поверхностей через сечения, описанные в источниках [2, 3].Closest to the claimed one is a method of ensuring the functioning of a thermoelectric battery, which consists in series connection of semiconductor thermocouples into electrical circuit by means of connecting plates of semiconductor thermoelements, each of which is formed by two branches made of semiconductor p- and n-type, respectively, and switching the thermoelement branches is carried out end-to-end the ends of the connection plates, while the heat sink and heat supply to the connection plates is carried out from all their free surfaces through the cross sections described in the sources [2, 3].

Недостатком известного способа является недостаточная эффективность теплообмена с теплоподводящей и теплоотводящей средами.The disadvantage of this method is the lack of efficiency of heat exchange with heat transfer and heat transfer media.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа функционирования термоэлектрической батареи, обеспечивающего улучшение теплообмена контактов ветвей термоэлементов и коммутационных пластин с теплоподводящей и теплоотводящей средами, следствием чего является повышение эффективности функционирования термоэлектрической батареи.The problem to which the invention is directed, is to create a method for the operation of a thermoelectric battery, providing improved heat transfer of the contacts of the branches of thermoelements and patch plates with heat-transferring and heat-removing media, which results in an increase in the functioning efficiency of the thermoelectric battery.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе обеспечения функционирования термоэлектрический батареи, заключающемся в последовательном соединении в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, причем коммутацию ветвей термоэлементов осуществляют встык на одних концах коммутационных пластин, при этом теплоотвод и теплоподвод к коммутационным пластинам осуществляют со всех их свободных поверхностей через сечения, отношение сечений теплоподводящих и теплоотводящих коммутационных пластин определяют из соотношенияThe solution to this problem lies in the fact that in a method for ensuring the functioning of a thermoelectric battery, which consists in series connection of semiconductor thermocouples into electrical circuit by means of patch plates, each of which is formed by two branches made of p- and n-type semiconductors, moreover, commutation of thermoelement branches carry out end-to-end at one end of the connection plates, while the heat sink and heat supply to the connection plates is carried out with ex of their free surfaces through sections, the ratio of the sections of the heat-transferring and heat-removing switching plates is determined from the ratio

где, S₁, S₂ - сечения соответственно теплоподводящих и теплоотводящих пластин;where, S ₁ , S ₂ are sections, respectively, of heat-transferring and heat-removing plates;

ε, β, γ - соответственно коэффициент преобразования энергии термоэлектрической батареи, отношение длин свободных частей коммутационных пластин и отношение их перепадов температур. ε, β, γ - respectively, the energy conversion coefficient of the thermoelectric battery, the ratio of the lengths of the free parts of the switching plates and the ratio of their temperature differences.

Изобретение поясняется чертежом, где схематически изображена термоэлектрическая батарея (ТЭБ), в которой реализован заявленный способ.The invention is illustrated in the drawing, which schematically shows a thermoelectric battery (TEB), which implements the claimed method.

ТЭБ содержит ветви 1 и 2 термоэлементов (1 - ветвь термоэлемента, изготовленная из полупроводника р-типа проводимости, 2 - ветвь термоэлемента, изготовленная из полупроводника n-типа проводимости) и коммутационные пластины 3, 4 (3 - четная коммутационная пластина, 4 - нечетная коммутационная пластина ТЭБ в виде прямоугольного параллелепипеда). Контакт р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа осуществлен таким образом, что коммутационные пластины 3 выступают за одну поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ, а коммутационные пластины 4 - за другую.The thermopile contains thermoelement branches 1 and 2 (1 - thermoelement branch made of p-type semiconductor, 2 - thermoelement branch made of n-type semiconductor) and connection plates 3, 4 (3 - even patch plate, 4 - odd thermopile switching plate in the form of a rectangular parallelepiped). The p-type contact — the switching plate — the n-type branch is implemented in such a way that the switching plates 3 protrude beyond one surface of the structure formed by the thermopile branches, and the connecting plates 4 beyond.

В случае работы ТЭБ в режиме термоэлектрического холодильника при прохождении через ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии, между коммутационными пластинами 3 и 4, представляющими собой контакты ветвей р- и n-типа 1 и 2, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на чертеже полярности электрического тока происходит нагрев нечетных коммутационных пластин 3 (в данном случае представляющих собой горячие контакты ТЭБ) и охлаждение четных 4 (представляющих собой холодные контакты ТЭБ). Если при этом за счет теплоотвода температура коммутационных пластин 3 поддерживается на постоянном уровне, то температура коммутационных пластин 4 понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на коммутационных пластинах 4 будет зависеть от тепловой нагрузки на них. Тепловая нагрузка складывается из теплопритока из охлаждаемой среды, тепла от горячих спаев, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля.In the case of operation of the thermopile in the thermoelectric cooler mode when a constant electric current supplied from the source of electric energy passes through the thermopile, between the switching plates 3 and 4, which are the contacts of the p- and n-type branches 1 and 2, a temperature difference occurs due to the release and absorption of Peltier heat. With the indicated polarity of the electric current, the odd patch plates 3 are heated (in this case, which are hot contacts of the thermopile) and the even 4 are cooled (which are cold contacts of the thermopile). If, due to heat removal, the temperature of the connection plates 3 is maintained at a constant level, then the temperature of the connection plates 4 will drop to a certain value. For a given electric current, the magnitude of the temperature decrease on the connection plates 4 will depend on the heat load on them. The heat load consists of the heat inflow from the cooled medium, heat from the hot junctions due to the thermal conductivity of the thermopile forming branches, the Joule heat.

В режиме генерации электрической энергии при наличии источника тепла - среды, нагревающего, например, коммутационные пластины 3, и среды, рассеивающей тепло с коммутационных пластин 4, между коммутационными пластинами 3 и 4 устанавливается некоторая разность температур. При наличии такой разности температур между коммутационными пластинами 3 и 4, являющимися контактами ветвей р- и n-типа 1 и 2, возникает разность потенциалов - термо-э.д.с., обусловленная эффектом Зеебека. При замыкании крайних коммутационных пластин 3 и 4 на определенную электрическую нагрузку в образовавшейся цепи возникает постоянный электрический ток. Величина протекающего в цепи электрического тока зависит от значения термо-э.д.с., которая в свою очередь зависит от коэффициента термо-э.д.с. термоэлектрического материала, числа термоэлементов в ТЭБ, разности температур между коммутационными пластинами 3 и 4 и величины электрической нагрузки.In the mode of generating electric energy in the presence of a heat source - a medium heating, for example, the switching plates 3, and a medium dissipating heat from the switching plates 4, between the switching plates 3 and 4, a certain temperature difference is established. In the presence of such a temperature difference between the switching plates 3 and 4, which are the contacts of the p- and n-type branches 1 and 2, a potential difference arises - thermo-emf due to the Seebeck effect. When the extreme switching plates 3 and 4 are shorted to a certain electrical load, a constant electric current arises in the formed circuit. The magnitude of the electric current flowing in the circuit depends on the value of thermo-emf, which in turn depends on the coefficient of thermo-emf. thermoelectric material, the number of thermocouples in the thermopile, the temperature difference between the switching plates 3 and 4 and the magnitude of the electrical load.

Источники информацииInformation sources

1. А.И.Бурштейн. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств. - М.: Физматгиз, 1962.1. A.I. Burshtein. Physical basis for calculating semiconductor thermoelectric devices. - M .: Fizmatgiz, 1962.

2. Б.С.Поздняков, Е.А.Коптелов. Термоэлектрическая энергетика. - М.: Атомиздат, с.88, рис.5.13.2. B. S. Pozdnyakov, E. A. Koptelov. Thermoelectric power. - M .: Atomizdat, p. 88, fig. 5.13.

3. Патент США 5038569, опубл. 13.08.1991.3. US patent 5038569, publ. 08/13/1991.

Claims (1)

Способ обеспечения функционирования термоэлектрической батареи, заключающийся в последовательном соединении в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, причем коммутацию ветвей термоэлементов осуществляют встык на одних концах коммутационных пластин, при этом теплоотвод и теплоподвод к коммутационным пластинам осуществляют со всех их свободных поверхностей через сечения, отличающийся тем, что отношение сечений теплоподводящих и теплоотводящих коммутационных пластин определяют из соотношения:A method for ensuring the operation of a thermoelectric battery, which consists in series connection of semiconductor thermocouples into the electric circuit by means of patch plates, each of which is formed by two branches made of p- and n-type semiconductors, moreover, the thermoelement branches are commutated end-to-end at one end of the patch plates, this heat sink and heat supply to the switching plates is carried out from all their free surfaces through sections, distinguishing the fact that the ratio of the cross sections of the heat transfer and heat transfer switch plates is determined from the ratio:

где S₁, S₂ - сечения соответственно теплоподводящих и теплоотводящих коммутационных пластин; ε, α, γ - соответственно коэффициент преобразования энергии термоэлектрической батареи, отношение длин свободных частей коммутационных пластин и отношение их перепадов температур.where S ₁ , S ₂ are sections, respectively, of heat-transferring and heat-removing switching plates; ε, α, γ - respectively, the energy conversion coefficient of the thermoelectric battery, the ratio of the lengths of the free parts of the switching plates and the ratio of their temperature differences.