Способ изготовления термоэлектрического генератора


 


Владельцы патента RU 2461095:

Общество с ограниченной ответственностью "ЯК-44" (RU)

Изобретение относится к технолгии изготовления термоэлектрических полупроводниковых преобразователей и батарей. Сущность: собранные линейки или блоки термоэлектрического генератора (ТЭГ) подвергают воздействию переменного или импульсного знакопеременного напряжения величиной от 100 В до 10000 В путем приложения его к контактным пластинам, расположенным с разных сторон полупроводникового элемента, с помощью электродов. Максимальный размер электродов в поперечном сечении не более 0,5 от толщины контактной пластины. Электроды находятся в электрическом контакте с пластинами или на расстоянии от них, менее пробойного для среды при данном напряжении. Точкой приложения напряжения сканируют по поверхности блока ТЭГ так, чтобы каждый полупроводниковый элемент был подвергнут обработке не менее одного раза при каждой полярности напряжения. Технический результат: уменьшение внутреннего сопротивления ТЭГ. 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии изготовления термоэлектрических полупроводниковых преобразователей и батарей из них.

Широко известны и распространены термоэлектрические генераторы (ТЭГ) на преобразователях Пельтье, выполненные в виде батареи расположенных друг рядом с другом полупроводниковых пластин (столбиков, шестигранников и т.п.) р- и n-типа проводимости, боковые поверхности которых электрически изолированы друг от друга, а торцы соединены попарно металлическими контактными пластинами так, чтобы образовать последовательное электрическое соединение чередующихся элементов р- и n-типа проводимости. При этом четные и нечетные по порядку пластины оказываются на разных сторонах батареи. При создании разности температур между двумя сторонами батареи (между «холодными» и «горячими» контактными пластинами) возникает разность потенциалов между крайними контактными пластинами, пропорциональная в некотором температурном интервале разности температур [Петр Шостаковский. Современные решения термоэлектрического охлаждения. Компоненты и технологии, №12, 2009; пат. US №5409547]. Изготавливают полупроводниковые пластины часто прессованием и, для исключения изменения свойств приповерхностной области пластины при припаивании контактных пластин и при дальнейшей эксплуатации, на торцы их предварительно наносят антидиффузионный материал [пат. RU №2248070]. Батареи обычно содержат значительное число последовательно соединенных полупроводниковых элементов. Соответственно этому велико и число контактных пластин, а также слоев припоя и переходных слоев от полупроводникового материала к антидиффузионному, от антидиффузионного к припою, от припоя к металлическому контакту. Даже незначительное сопротивление в области контактов приводит поэтому к большому суммарному их сопротивлению, к увеличению внутреннего сопротивления термоэлектрической батареи и в результате к уменьшению ее КПД.

Известен способ уменьшения сопротивления областей контакта, заключающийся в том, что контакт осуществляют диффузионной сваркой [Ajay Singh, S.Bhattacharya, R.Basu, D.K.Aswal, S.K.Gupta. Полученные диффузионной сваркой низкоомные электрические контакты для термоэлектрических устройств на основе n-PbTe и p-TAGS-85. XIV Международный форум по термоэлектричеству]. Недостатком этого способа является существенный локальный перегрев области контакта с расплавлением многокомпонентного материала и его перераспределением, отрицательно влияющим на приповерхностные свойства полупроводникового элемента и на стабильность генератора.

Известны также многочисленные способы (и устройства для их осуществления) обработки различных материалов и изделий воздействием высокого напряжения с различными целями [патенты США 4334144, 4879100, 5466423, 5895558, 6396212, заявка US 2009/0163107 A1, US 2010/0292757 A1]. Они оказывают лишь поверхностное воздействие на объект (модификация, очистка, нанесение материала и т.п.).

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение внутреннего сопротивления термоэлектрического генератора.

Технический результат достигается тем, что уже собранные линейки (или блоки) термоэлектрического генератора подвергают воздействию переменного или импульсного, в т.ч. импульсного знакопеременного, напряжения величиной от 100 В до 10000 В путем приложения его к контактным пластинам, расположенным с разных сторон полупроводникового элемента, с помощью электродов с максимальным размером в поперечном сечении не более 0,5 от толщины контактной пластины, находящихся в электрическом контакте с контактными пластинами или на расстоянии от них менее пробойного для прикладываемого напряжения в данной среде, например в воздухе при атмосферном давлении или в диэлектрической жидкости (керосин и др.), причем точкой приложения напряжения сканируют по поверхности блока ТЭГ так, чтобы каждый полупроводниковый элемент был подвергнут описанной обработке не менее одного раза при каждой полярности напряжения.

Способ основан на экспериментально установленном заявителем факте уменьшения внутреннего сопротивления ТЭГ при кратковременном приложении между «горячими» и «холодными» контактными пластинами напряжения до 10 кВ. Физические причины для этого могут быть разные. Наиболее вероятная - это уменьшение сопротивления переходного слоя между полупроводниковым элементом и контактной пластиной в результате разрушения паразитных диэлектрических тонких слоев окислов (металла, припоя, антидиффузионного материала, частиц керамического полупроводникового элемента) высоковольтным проколом (точечным нарушением изолирующих свойств).

Точечный характер воздействия, обеспечиваемый малыми поперечными размерами (остротой) электродов, позволяет увеличить проводимость между контактными пластинами и полупроводниковыми элементами в большем числе точек, чем при электрическом воздействии на всю площадь контактной пластины (или всего блока) сразу, когда ток практически весь уходит через один «прокол», не создавая новых областей высокой проводимости. Локальность в пределах одной контактной пластины обеспечивается падением напряжения в ней при протекании тока в удаленную от электрода область пластины (растекание), поэтому эффективность предлагаемого способа тем выше, чем тоньше контактная пластина (минимальная ее толщина ограничивается требованиями к величине внутреннего сопротивления ТЭГ, поэтому для каждого конкретного случая она должна подбираться специально).

При использовании импульсного знакопостоянного напряжения обработку повторяют, изменив полярность на противоположную.

При использовании переменного высоковольтного напряжения процедура проще, так как не надо менять полярности, и проще оборудование (например, высоковольтный трансформатор).

На фиг.1 изображена схема примера осуществления способа. Цифрами обозначены: 1 - блок ТЭГ, 2 - электроды, 3 - источник импульсного знакопеременного высокого напряжения. Стрелками обозначены перемещения блока ТЭГ при сканировании в его плоскости (вдоль осей х и у).

Примером конкретного исполнения может служить обработка по предлагаемому способу блока ТЭГ, выполненного из последовательно попеременно соединенных полупроводниковых прессованных брикетов р-типа (Bi, Те, Sb) и n-типа (Bi, Те, Se) - всего 12 последовательно соединенных модулей по 154 пары брикетов в каждом, - соединенных с помощью контактных пластин толщиной 1 мм с антидиффузинонным слоем толщиной 5 мкм из никеля. Электроды, выполненные из остро заточенных (радиус острия не превышает 0,2 мм) под углом 30° графитовых стержней диаметром 2 мм, располагают вплотную или практически вплотную к контактным пластинам (на расстоянии не более 0,1 мм от них). Знакопеременные импульсы напряжения амплитудой 5000 вольт и длительностью 0,1 мс подают на электроды с частотой 100 Гц. Шаг сканирования по двум взаимно перпендикулярным осям по поверхности ТЭГ составляет 2 мм.

Способ изготовления термоэлектрического генератора, заключающийся, кроме прочего, в том, что соседние полупроводниковые элементы n- и р-типов проводимости соединяют через антидиффузионные слои последовательно между собой контактными пластинами, отличающийся тем, что уже собранные линейки (или блоки) термоэлектрического генератора (ТЭГ) подвергают воздействию переменного или импульсного знакопеременного напряжения величиной от 100 В до 10000 В путем приложения его к контактным пластинам, расположенным с разных сторон полупроводникового элемента, с помощью электродов с максимальным размером в поперечном сечении не более 0,5 от толщины контактной пластины, находящихся в электрическом контакте с пластинами или на расстоянии от них, менее пробойного для среды при данном напряжении, причем точкой приложения напряжения сканируют по поверхности блока ТЭГ так, чтобы каждый полупроводниковый элемент был подвергнут описанной обработке не менее одного раза при каждой полярности напряжения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к термоэлектричеству, а именно к изготовлению модулей Пельтье с расположенными между двумя подложками (2) несколькими элементами Пельтье (4). .

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению. .

Изобретение относится к области термоэлектрического приборостроения. .
Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению и может быть использовано для электрохимического способа нанесения антидиффузионного барьера. .

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии и может быть использовано для оценки качества термоэлектрических модулей. .

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к способам снятия характеристики Т=f(I) (зависимости перепада температуры ветви термоэлемента от электрического тока).

Изобретение относится к термоэлектрическим материалам

Изобретение относится к области наноструктурированных и нанокомпозитных материалов

Изобретение относится к способу изготовления термоэлектрического элемента, имеющего термопары, содержащие полупроводник n-типа и полупроводник р-типа

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в физике конденсированного состояния, приборостроении, микроэлектронике, термоэлектричестве для получения тонкопленочных образцов твердого раствора висмут-сурьма с совершенной монокристаллической структурой. Сущность изобретения заключается в том, что для получения монокристаллических пленок твердого раствора висмут-сурьма используют зонную перекристаллизацию сформированных путем напыления в вакууме однородных по составу поликристаллических пленок твердого раствора висмут-сурьма под защитным покрытием, температура плавления которого больше температуры плавления получаемой пленки, при большей скорости движения зоны, чем при выращивании объемных монокристаллов (для пленок твердых растворов висмут-сурьма более 1 см/ч против 0,05 мм/ч для объемных кристаллов). Изобретение обеспечивает получение монокристаллических пленок твердого раствора висмут-сурьма с равномерным распределением компонентов по объему.

Изобретение относится к производству термоэлектрических материалов. Сущность: для получения стержней термоэлектрического материала на основе твердых растворов Bi2Te3-Bi2Se n-типа проводимости с эффективностью ZT>1,2 и механической прочностью не менее 150 МПа осуществляют механоактивационный синтез тройного твердого раствора Bi2Te2,85Se0,15 n-типа проводимости из исходных компонентов. В качестве донорной лигатуры используют соединение Bi11Sei2Cl9. Затем проводят предварительное холодное прессование полученного материала в виде брикета и горячую экструзию его под давлением через фильеру в два этапа. Сначала брикет под давлением 250÷350 МПа поступает в конусную часть фильеры, где его подвергают пластической деформации при температуре 350÷420°С с коэффициентом вытяжки 8-11. Затем сформировавшийся стержень под тем же давлением поступает в равноканальную часть фильеры, где его подвергают последующей пластической деформации равноканальным многоугловым прессованием со степенью деформации ε<1 при температуре на 50÷70°С выше температуры в конусной части фильеры. Далее проводят послеэкструзионный отжиг термоэлектрического стержня при температуре 300-350°С в течение 1-5 суток. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам. Сущность: способ включает изготовление стержней из термоэлектрического материала методом горячей экструзии. После чего проводят подготовку боковой поверхности стержней. Затем на боковую поверхность стержней наносят методом катодного или анодного электроосаждения лакокрасочную водную композицию с фторкаучуком с получением защитного полимерного покрытия. Далее проводят промывку и термоотверждение стержней. Режут стержни с получением полупроводниковых ветвей заданной длины. На торцевые поверхности полученных полупроводниковых ветвей наносят антидиффузионное металлическое покрытие так, чтобы кромка касалась защитного полимерного покрытия, не пересекая его. Термоэлектрический модуль однокаскадный или многокаскадный содержит полупроводниковые ветви N- и P-типов проводимости, расположенные параллельно и не касающиеся друг друга. Полупроводниковые ветви N- и P-типа изготовлены по способу, приведенному выше. Технический результат: повышение химической, термической и механической стойкости, обеспечение высокой адгезии и эластичности полимерного покрытия термоэлектрических ветвей. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к области создания охлаждающих элементов. Технический результат: повышение к.п.д. Сущность: в качестве материала для термоэлемента используют полимерный материал - полианилин, допированный различными химическими добавками. Изготовление полимерного материала с p- и n-проводимостью осуществляют путем процесса электрополимеризации из водного раствора анилина и соляной кислоты с химическими добавками. 1 ил.

Изобретение относится к области термоэлектричества. Сущность: изолирующая подложка (12) оснащена первой (18) и второй (20) областями соединения. На подложке (12) сформирована первая сборка из проводниковых или полупроводниковых элементов (14), проходящих параллельно и в первом направлении от первой (18) до второй (20) области соединения. С другой стороны подложки (12) сформирована вторая сборка из проводниковых или полупроводниковых элементов (22), электрически изолированных от первой сборки и проходящих параллельно в направлении, отличном от первого направления, от первой (18) до второй (20) области соединения. В областях (18, 20) соединения электрические соединительные элементы (24) соединяют элементы (14) и (22) первой и второй сборки. Два элемента (14, 22) одной сборки разделены в предварительно заданном направлении на предварительно заданное среднее расстояние (d1, d2) в областях (18, 20) соединения. Средний размер (Р) соединительных элементов (24) в предварительно заданном направлении больше, чем максимальное значение средних расстояний (d1, d2) между элементами одной сборки. Расстояние (Е) в предварительно заданном направлении между краями двух соединительных элементов (24) меньше, чем минимальное значение средних расстояний (d1, d2) между элементами одной сборки. Технический результат: упрощение изготовления, повышение надежности. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к области создания термоэлектрических генераторов. Технический результат: повышение эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. Сущность: в качестве термоэлектрических материалов используют полианилин, допированный различными химическими добавками. Изготовление полимерного материала с p- и n-проводимостью осуществляют путем процесса электрополимеризации из водного раствора анилина и соляной кислоты с химическими добавками. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к термоэлектрическим генераторам. Сущность: термоэлектрический генератор (2) имеет несколько модулей (1), каждый из которых имеет первый конец (3) и второй конец (4) и которые состоят из внутренней трубки (5) и наружной трубки (6), а также расположенных между ними термоэлектрических элементов (7). Модули (1) на своем первом конце (3) или своем втором конце (4) закреплены своей внутренней трубкой (5) или своей наружной трубкой (6) в электрическом проводнике (9). Электрический проводник (9) выполнен пластинчатым и имеет первый торец (14) и второй торец (15), а также боковую поверхность (16). Первый торец (14) соединен со вторым торцом (15) несколькими отверстиями (17). Каждое из отверстий предназначено для крепления соответственно одного модуля (1). Электрический проводник (9) имеет электропроводные контакты (18) для электрического соединения с ним контактов (8) отдельных модулей (1). Технический результат: обеспечение разностороннего или универсального применения в автомобилях, в том числе в уже существующих типах и моделях, обеспечение надежного разделения текущих сред и электрического контактирования. 5 н. и 3 з.п. ф-лы, 15 ил.
Наверх