способ оптимизации режимов работы термоэлектрической батареи с учетом геометрических и электротеплофизических параметров при импульсном питании

Формула изобретения

Способ оптимизации режимов работы термоэлектрической батареи с учетом геометрических и электротеплофизических параметров при импульсном питании, заключающийся в том, что геометрические размеры полупроводниковых ветвей и металлических спаев термоэлектрической батареи оптимизированы в соответствии с электро- и теплофизическими свойствами материалов термоэлементов, отличающийся тем, что питание термоэлектрической батареи обеспечивают импульсным током с длительностью и скважностью импульсов такой, что заряды в горячих и холодных спаях полностью проходят через полупроводниковые ветви и вновь задерживаются для обмена энергией в металлических спаях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам оптимизации режимов работы термоэлектрической батареи, позволяющих получить эффективное охлаждение.

Существующие схемы питания термоэлектрических батарей постоянным или переменным током [1, 2] не в полной мере учитывают процессы, происходящие внутри полупроводниковых ветвей и металлических спаев. Для того чтобы заряд обменялся в металлическом спае энергией с кристаллической решеткой, необходимо однократное или многократное столкновение с обменом энергии. Если не учитывать длину свободного пробега заряда до столкновения, то заряд может, выйдя из одной ветви полупроводника без соударений и обменом энергии, пройти через весь спай в другую ветвь полупроводника. Очевидно, что это снижает эффективность работы термоэлектрической батареи. Кроме того, напряжение питания также влияет на перемещение зарядов как в полупроводниковых ветвях, так и в металлических спаях. Изменение напряжения также влияет на паразитные тепловые выделения (джоулевое) в полупроводниковых ветвях.

Цель изобретения - улучшение процесса охлаждения и теплоотвода.

Это достигается тем, что в термоэлектрической батарее таким образом выбраны геометрические размеры полупроводниковых ветвей и металлических спаев, что учитываются параметры движения зарядов внутри полупроводника и металлических спаев. Такими параметрами являются длина свободного пробега заряда до соударения и энергия, передаваемая при столкновении заряда с кристаллической решеткой. Питание термоэлектрической батареи импульсным током с длительностью и скважностью импульсов, пропорциональной параметрам движения зарядов, позволяет оптимизировать режимы работы устройства, получив максимальное охлаждение. Пауза между импульсами должна иметь такой размер, чтобы заряды, попавшие в металлический спай, успели полностью обменяться энергией с кристаллической решеткой. Длительность и амплитуда импульса должны иметь такие параметры, индивидуальные для каждого полупроводникового материала, чтобы заряды в горячих и холодных спаях полностью прошли через полупроводниковые ветви и вновь задержались для обмена энергией в металлических спаях. Оптимизация импульсного питания в зависимости от свойств электротехнических материалов и геометрических размеров термоэлектрической батареи позволяет сгруппировать заряды в энергетические пакеты, которые синхронно перемещаются между горячими и холодными спаями, осуществляя дозированный энергетический обмен между материалом батареи и самими зарядами.

На чертеже представлена конструкция термоэлектрической батареи и параметров импульсного питания.

Конструкция термоэлектрической батареи представляет собой обычную батарею, в которой имеются строгие ограничения на размеры полупроводниковых ветвей. При изменении геометрических размеров, например высоты ветвей h или материалов термоэлектрической батареи, необходимо пропорционально изменить длительность Т _д и скважность Т_с, а также амплитуду импульсного питания.

Использование импульсного питания с учетом электро- и теплофизических свойств материалов термоэлементов позволяет повысить эффективность теплопередачи для любых типовых термоэлектрических батарей, а также увеличить интенсивность работы систем охлаждения.

Литература

1. Зорин И.В., Зорина З.Л. Термоэлектрические холодильники и генераторы. - Л.: Энергия, 1973.

2. Исмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. - СПб.: Политехника, 2005.