Термоэлектрический преобразователь

 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к прямому преобразованию тепловой энергии в электрическую, и может быть использовано в качестве источника постоянного тока. Технический результат - увеличение электрической мощности и повышение КПД за счет снижения внутреннего сопротивления термопар. Термоэлектрический преобразователь содержит термобатарею, образованную последовательно соединенными термопарами. Каждая термопара выполнена в виде трехслойной панели с наложенными друг на друга слоями горячего спая, ветвей и холодного спая. Спаи расположены по всей поверхности пары ветвей. Ветви термопар выполнены длиной, равной толщине слоя, и разделены друг от друга теплоэлектроизоляционной вставкой. Холодный спай каждой термопары разделен на две части теплоэлектроизоляционной вставкой с образованием коммутационных шин. Термопара образована в виде многослойной структуры, содержащей наложенные друг на друга со смещением параллельно соединенные трехслойные панели из последовательно соединенных термопар. Шаг смещения выбран равным половине поперечного сечения одной термопары. Трехслойная панель сформирована последовательным напылением или электролизом слоев. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к прямому преобразованию тепловой энергии в электрическую, и может быть использовано в качестве источника постоянного тока.

Известен бесконтактный термоэлектрический преобразователь, содержащий диэлектрическую подложку, на поверхности которой размещены пленочные нагреватель и батарея термочувствительных элементов, имеющих тепловой контакт с нагревателем, а также участок, зашунтированный расположенным на поверхности подложки пленочным конденсатором (а.с. СССР N 1376855, МПК⁶ H 01 L 35/32, опубл. 23.08.90, бюл. N 31).

Недостатками известного преобразователя являются его малая электрическая мощность и низкий коэффициент полезного действия (КПД).

Известен также многоэлементный термоэлектрический преобразователь, содержащий диэлектрическую подложку, на поверхности которой размещены разделенные диэлектрическими прослойками пленочные резистивный нагреватель, термобатарея, образованная термопарами, и расположенный между нагревателем и горячими спаями термобатареи проводящий слой, соединенный с выходными ветвями концевых термопар термобатареи с помощью выполненных на поверхности подложки пленочных конденсаторов (а. с. СССР N 1364168, МПК⁶ H 01 L 35/32, опубл. 23.09.91, бюл. N 35).

Однако недостатками такого преобразователя являются малая электрическая мощность и низкий КПД.

Наиболее близким к описываемому является термоэлектрический преобразователь, содержащий корпус с расположенной в нем диэлектрической подложкой, на поверхности которой размещены пленочный резистивный нагреватель, основная батарея термопар, каждая из которых состоит из двух ветвей, горячего и холодного спаев, при этом горячие спаи находятся в тепловом контакте с нагревателем, а холодные - с корпусом, и частотно-зависимый корректирующий каскад, образованный конденсатором и участком нагревателя, не имеющим теплового контакта с термопарами основной батареи, а также дополнительный термопарный элемент, соединенный с основной батареей последовательно-встречно, разноименные спаи термопар которого находятся в тепловом контакте соответственно с корпусом и входящим в состав корректирующего каскада участком нагревателя (а.с. СССР N 1475425, МПК⁶ H 01 L 35/32, опубл. 23.09.90, бюл. N 35).

Однако, он также как и предыдущие аналоги, имеет малую электрическую мощность и низкий КПД, вследствие малого теплового потока и высокого внутреннего сопротивления термопары.

Изобретение направлено на решение задачи создания термоэлектрического преобразователя, обладающего увеличенной электрической мощностью и повышенным КПД за счет снижения внутреннего сопротивления термопар.

Для решения поставленной задачи в термоэлектрическом преобразователе, содержащем термобатарею, образованную последовательно соединенными термопарами, каждая из которых состоит из двух ветвей, горячего и холодного спаев, согласно изобретению, каждая термопара выполнена в виде трехслойной панели с наложенными друг на друга слоями горячего спая, ветвей и холодного спая, спаи расположены по всей поверхности пары ветвей, при этом ветви термопар выполнены длиной, равной толщине слоя, и разделены друг от друга дополнительно введенной теплоэлектроизоляционной вставкой, а холодный спай каждой термопары разделен на две части теплоэлектроизоляционной вставкой с образованием коммутационных шин. Кроме того ветви каждой термопары выполнены в виде проводниковых или полупроводниковых пленок. Спаи каждой термопары выполнены в виде металлических пленок или фольги. Трехслойная панель имеет плоскую форму, при этом в плане и/или в сечении выполнена прямоугольной формы. Целесообразно, чтобы трехслойная панель была сформирована последовательным напылением или электролизом слоев. Теплоэлектроизоляционная вставка выполнена из оксида алюминия. Целесообразно также, чтобы термобатарея была образована в виде многослойной структуры, содержащей наложенные друг на друга со смещением параллельно соединенные трехслойные панели из последовательно соединенных термопар, при этом шаг смещения был бы выбран равным половине поперечного сечения одной термопары. Тепловой поток направлен перпендикулярно плоскости горячего спая термопар.

Выполнение термоэлектрического преобразователя, содержащего термобатарею из термопар с малой длиной ветвей, равной толщине слоя пленки (фольги), и большим сечением, равным площади пленки (фольги), позволяет понизить внутреннее сопротивление термопар и таким образом повысить электрическую мощность и увеличить КПД термоэлектрического преобразователя.

Выполнение термобатареи в виде многослойной структуры, содержащей наложенные друг на друга со смещением параллельно соединенные трехслойные панели из последовательно соединенных термопар, позволяет повысить величину термоЭДС, мощность и придать конструкции прочностные свойства.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид тонкопленочной термопары; на фиг. 2 - последовательно соединенная цепочка из термопар, одна из которых изображена на фиг. 1, в виде трехслойной панели; на фиг. 3 - термобатарея в виде многослойной структуры из параллельно соединенных цепочек термопар, одна из которых изображена на фиг. 2, сформированная последовательным напылением или электролизом слоев.

Термоэлектрический преобразователь содержит термобатарею, образованную последовательно соединенными термопарами. Термопары выполнены в виде трехслойной панели (фиг. 1), содержащей наложенные друг на друга слои горячего спая 1, ветвей 2 и 3, холодного спая 4. Спаи 1 и 4 расположены по всей поверхности пары ветвей 2 и 3 (фиг. 2). Ветви 2 и 3 термопар выполнены длиной, равной толщине слоя, и разделены друг от друга теплоэлектроизоляционной вставкой 5. Холодный спай 4 термопары разделен на две части теплоэлектроизоляционной вставкой 5 с образованием коммутационных шин (фиг. 1). Ветви 2 и 3 каждой термопары выполнены в виде проводниковых или полупроводниковых пленок. Спаи 1 и 4 каждой термопары выполнены в виде металлических пленок или фольги.

Трехслойная панель имеет плоскую форму, а в плане и/или в сечении выполнена прямоугольной формы (фиг. 1).

Каждая термопара в виде трехслойной панели сформирована последовательным напылением или электролизом слоев или с помощью других известных методов, используемых в микроэлектронике.

В качестве ветвей 2 и 3 термопар могут быть использованы металлы или полупроводники, имеющие контактную разность потенциалов (используемые при производстве традиционных термопар), например железо и никель на медной подложке-спае.

В качестве теплоэлектроизоляционной вставки 5 могут быть использованы любые известные теплоэлектроизоляционные материалы, поддающиеся напылению, например, оксид алюминия.

В варианте выполнения термобатареи, показанной на фиг. 3, она образована в виде многослойной структуры, содержащей наложенные друг на друга со смещением параллельно соединенные трехслойные панели из последовательно соединенных термопар (фиг. 2). Шаг смещения выбран равным половине поперечного сечения одной термопары, т. е. таким, чтобы по вертикали слоев располагались разнородные металлы или полупроводники. Тепловой поток направлен перпендикулярно поверхности термопар.

Пример. Термопара состоит из металлической фольги спая, например, из меди, на поверхности которой расположено две пленки из металлов, например, железо-никель, образующих ветви, между которыми размещена теплоэлектроизоляционная вставка, например, из оксида алюминия. Длина каждой ветви в пределе составляет порядка 100-500 ангстрем, т.е. ветви термопары представляют собой тонкие пленки, формируемые на основе известных пленочных технологий микроэлектроники. Предельная длина ветви (толщина пленки) термопары определяется длиной свободного пробега электрона проводимости в кристалле, на которой фононы передают часть своей направленной энергии электронам. Поверх пленок ветвей расположены пленки спаев, полученные напылением из того же металла, что и нижний спай, например, меди, служащие в качестве коммутационных шин для съема электрического тока. Такая конструкция преобразователя получается достаточно прочной, так как при последовательном напылении слоев она представляет собой единый монолит.

Термоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

При перепаде температур между горячими и холодными спаями возникает тепловой поток Q. За счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и по коммутационным шинам 4 в полезную нагрузку (на фиг. не показана) поступает вырабатываемая электрическая энергия. Величина термоЭДС батареи зависит от числа термопар, которые соединены последовательно или комбинированно (последовательно-параллельно). Из-за резкого снижения внутреннего сопротивления каждой термопары, как источника ЭДС, повышается КПД.

Внутреннее сопротивление r термопары и площадь поперечного сечения ветвей S термопары связаны соотношением где ρ - удельное электрическое сопротивление материала ветви термопары; l - длина ветви (толщина пленки).

Предложенный термоэлектрический преобразователь экологически чист и прост по конструкции, обладает технологичностью изготовления, что позволяет автоматизировать производство термобатарей с любым количеством термопар. Термопарную поверхность подобной конструкции можно выполнить сколь необходимо большой и организовать значительные потоки тепла через термопару даже при малых перепадах температур. За счет применения для изготовления элементов термопар недефицитных дешевых материалов преобразователь имеет низкую стоимость изготовления.

Формула изобретения

1. Термоэлектрический преобразователь, содержащий термобатарею, образованную последовательно соединенными термопарами, каждая из которых состоит из двух ветвей, горячего и холодного спаев, отличающийся тем, что каждая термопара выполнена в виде трехслойной панели с наложенными друг на друга слоями горячего спая, ветвей и холодного спая, спаи расположены по всей поверхности пары ветвей, при этом ветви термопар выполнены длиной, равной толщине слоя, и разделены друг от друга дополнительно введенной теплоэлектроизоляционной вставкой, а холодный спай каждой термопары разделен на две части теплоэлектроизоляционной вставкой с образованием коммутационных шин.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что ветви каждой термопары выполнены в виде проводниковых или полупроводниковых пленок.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что спаи каждой термопары выполнены в виде металлических пленок или фольги.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что трехслойная панель имеет плоскую форму, при этом в плане и/или в сечении выполнена прямоугольной формы.

5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что трехслойная панель сформирована последовательным напылением или электролизом слоев.

6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что теплоэлектроизоляционная вставка выполнена из оксида алюминия.

7. Преобразователь по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что термобатарея образована в виде многослойной структуры, содержащей наложенные друг на друга со смещением параллельно соединенные трехслойные панели из последовательно соединенных термопар, при этом шаг смещения выбран равным половине поперечного сечения одной термопары.

8. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что тепловой поток направлен перпендикулярно плоскости горячего спая термопар.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3