способ обеспечения функционирования термоэлектрической батареи

Формула изобретения

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:

где S₁, S₂ - сечения соответственно теплоподводящих и теплоотводящих коммутационных пластин; , , - соответственно коэффициент преобразования энергии термоэлектрической батареи, отношение длин свободных частей коммутационных пластин и отношение их перепадов температур.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к способам обеспечения функционирования термоэлектрических батарей (ТЭБ).

Известен способ обеспечения функционирования термоэлектрической батареи, описанный в [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.

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.

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].

Недостатком известного способа является недостаточная эффективность теплообмена с теплоподводящей и теплоотводящей средами.

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.

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 соотношения

где, S₁, S₂ - сечения соответственно теплоподводящих и теплоотводящих пластин;

, , - соответственно коэффициент преобразования энергии термоэлектрической батареи, отношение длин свободных частей коммутационных пластин и отношение их перепадов температур.

Изобретение поясняется чертежом, где схематически изображена термоэлектрическая батарея (ТЭБ), в которой реализован заявленный способ.

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.

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.

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.

Источники информации

1. А.И.Бурштейн. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств. - М.: Физматгиз, 1962.

2. Б.С.Поздняков, Е.А.Коптелов. Термоэлектрическая энергетика. - М.: Атомиздат, с.88, рис.5.13.

3. Патент США 5038569, опубл. 13.08.1991.