Термоэлектрический генератор с высоким градиентом температур между спаями


 


Владельцы патента RU 2575614:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)

Изобретение относится к области термоэлектричества и может быть использовано в термоэлектрических генераторах. Технический результат: повышение эффективности за счет уменьшения кондуктивных паразитных потерь между горячими и холодными спаями, уменьшением паразитных джоулевых тепловыделений и использованием контактных явлений между металлическими спаями и полупроводниковыми ветвями. Сущность: все ветви p-типа расположены в одной плоскости, а все ветви n-типа - в другой параллельной плоскости. Полупроводниковые ветви изготовлены в виде тонких пленок различной толщины для p- и n-типа. Металлические спаи для контакта с полупроводниковыми ветвями подбираются таким образом, чтобы в металле электроны имели меньшую энергию, чем в полупроводнике. А на втором спае выбирается металл с энергией электронов, большей, чем в полупроводнике, поэтому результат будет аналогичным. Также используются поверхности теплообмена внутри термоэлектрического устройства. 1 ил.

 

Изобретение относится к области термоэлектричества и может быть использовано в термоэлектрических генераторах.

Известен термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые ветви p- и n-проводимости, соединенные коммутационными шинами с образованием электрической цепочки [1].

Для повышения эффективности термоэлектрическою генератора и уменьшения уровня кондуктивного теплопереноса целесообразно пространственно разместить в различных плоскостях p- и n-ветви, затруднив кондуктивный теплоперенос между ними, снизить электрическое сопротивление полупроводниковых ветвей за счет уменьшения их толщины, подбирать материалы металлических спаев для границы полупроводник -металл индивидуально для входящих и выходящих токов, а также дополнить систему отвода тепла в окружающую среду новыми поверхностями теплообмена.

Цель изобретения - создание высокоэффективного термоэлектрического генератора с высоким градиентом температур.

Это достигается тем, что полупроводниковые ветви p- и n-типа для уменьшения джоулевых потерь выполняются в виде тонких пленок с минимальным сопротивлением протекающему току. Чем меньше толщина пленки по отношению к ее поперечному сечению, тем меньше оказывается сопротивление протекающему току. Для ветвей p- и n-типа толщина пленки будет индивидуальна и будет зависеть от теплофизических свойств материала. В существующих термоэлектрических генераторах высота полупроводниковых ветвей p- и n-типа одинакова [2]. Это ограничение наложено конструкторско-технологическими требованиями в производстве. Однако полупроводниковые ветви p- и n-типа имеют различные сопротивления электрическому току, падение напряжений, теплопроводность и другие параметры, что ограничивает оптимизацию режимов работы термоэлектрического генератора в целом. Размещение полупроводниковых ветвей p- и n-типа на разных уровнях позволяет независимо друг от друга изменять высоту ветвей p- и n-типа. Это позволяет достичь одинаковых падений напряжений и токов в полупроводниковых ветвях различного типа.

В существующих термоэлектрических генераторах горячие и холодные спаи изготавливаются из одного металла [2]. Однако между спаем и полупроводником при протекании тока возникают термоэлектрические явления с выделением или поглощением тепла. В зависимости от энергии электронов в металле и полупроводниках p- и n-типа, а также направления движения электронов меняется режим преобразования разности температур в ток. Электроны в различных металлах могут обладать большей или меньшей энергией по сравнению с энергией электронов в полупроводниках p- и n-типа [3].

Металлические спаи для контакта с полупроводником целесообразно подбирать таким образом, чтобы при разности температур между металлом и полупроводником получать максимальный ток от эффекта Зеебека за счет того, что в металле электроны имели меньшую энергию, чем в полупроводнике. А на втором спае выбирается металл с энергией электронов, большей, чем в полупроводнике, поэтому результат будет аналогичным. Таким образом, рациональный выбор материалов для металлических спаев с учетом контактных явлений между металлом и полупроводником позволяет получить большую величину тока (эффект Зеебека) в обоих случаях. Чем больше разница энергий электронов в металлических спаях, тем больше будет эффект на обоих спаях и меньше паразитный кондуктивный теплоперенос.

Так как металлические спаи контактируют с полупроводниковыми ветвями p- и n-типа, то обеспечить одновременно оптимальные условия для термоэффекта для обоих типов ветвей невозможно. Но в этом нет необходимости при использовании конструкции термоэлектрического генератора с топологически раздельным размещением в пространстве на разных уровнях ветвей p- и n-типа. Достаточно полупроводниковые ветви p-типа расположить на значительном расстоянии от объектов охлаждения и нагревания (уменьшив паразитный кондуктивный теплоперенос обратно к объекту охлаждения) и обеспечить отвод тепла не только с одной внешней поверхности ветвей p-типа, но и с противоположной внутренней стороны этих ветвей p-типа. Также можно осуществить отвод тепла с внутренней стороны охлаждающих полупроводниковых ветвей n-типа и с соединительных металлических проводников, которые могут быть выполнены в виде плоских пластин. В этом случае, по сравнению с традиционными схемами термоэлектрических генераторов, увеличивается поверхность отвода тепла как минимум в три раза. Помимо одной внешней поверхности ветвей p-типа добавляются внутренние поверхности ветвей p- и n-типа, а также эффективная поверхность соединительных металлических проводников.

На фиг. 1 представлена структура термоэлектрического генератора с высоким градиентом температур.

Структура термоэлектрического генератора представляет собой тонкопленочные полупроводниковые ветви p-типа (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18) и n-типа (1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17), расположенные в разных плоскостях, таким образом, что при подаче разности температур на горячие и холодные спаи начнется генерация тока, причем помимо основной схемы генерации тока между полупроводниками p- и n-типа дополнительный эффект будет получен при генерации тока в местах контакта полупроводников p- и n-типа и спаев, состоящих из разнородных металлов, причем энергия электронов в металлах должна быть больше или меньше, в зависимости от типа полупроводника (p и n) и от направления движения электронов (из металла в полупроводник или наоборот). Подвод тепла к полупроводниковому термоэлектрическому генератору осуществляется со стороны верхнего спая (Q1 - подводимое тепло). Отвод тепла можно интенсифицировать за счет обдува вентилятором нижних спаев и обдува внутренних спаев и проводников (Q2 - отводимое тепло). Соединительные проводники между полупроводниками p- и n-типа должны беспрепятственно пропускать ток и быть такой длины, чтобы практически прекратить кондуктивный теплоперенос между горячими и холодными спаями термоэлектрического генератора. В случае необходимости их можно изготовить в виде гибких электрически изолированных металлических проводников для того, чтобы произвольным образом изменять расстояние и расположение в пространстве тепловыделяющих и теплопоглощающих поверхностей.

Использование представленного устройства позволит создать более эффективные термоэлектрические генераторы за счет уменьшения кондуктивных паразитных потерь между горячими и холодными спаями, уменьшением паразитных джоулевых тепловыделений и использованием контактных явлений между металлическими спаями и полупроводниковыми ветвями.

Литература

1. Термоэлектрический модуль: пат. 2425298 Рос. Федерация: МПК F25B 21/02, H01L 35/32 / Сидоренко Н.А., Гришин В.И. - Заявл. 22.03.2010, опубл. 27.07.2011.

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

3. Анатычук Л.И. Термоэлектричество Т2. - Киев: Букрек, 2003. - 386 с.

Термоэлектрический генератор с высоким градиентом температур между спаями, выполненный из полупроводниковых ветвей p- и n-типа таким образом, что все ветви p-типа расположены в одной плоскости, а все ветви n-типа - в другой параллельной плоскости, отличающийся тем, что полупроводниковые ветви изготовлены в виде тонких пленок различной толщины для p- и n-типа, а также применением различных материалов металлических спаев для входящего и выходящего тока между спаями и полупроводниковыми ветвями и использованием дополнительного теплоотвода от внутренних поверхностей термоэлектрического устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области термоэлектрического приборостроения и может быть использовано при изготовлении термоэлектрических устройств, основанных на эффекте Пельтье или Зеебека, прежде всего термоэлектрических генераторов электрической энергии, а также холодильных термоэлектрических устройств.

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии, например, в выпускных системах отработавших газов автомобилей для эффективного использования энергии.

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии. Сущность: термоэлектрический модуль (1) имеет внутреннюю периферийную поверхность (2), ось (3) и внешнюю периферийную поверхность (4).

Изобретение может быть использовано в термоэлектрическом генераторе, предназначенном для автомобиля. Термоэлектрический модуль (1) имеет внутреннюю (2) и внешнюю (4) краевые поверхности, соответствующие горячей (18) и холодной (19) сторонам модуля или наоборот, расположенное между ними промежуточное пространство (17), геометрическую ось (3) и по меньшей мере один уплотнительный элемент (7), который по меньшей мере частично образует внутреннюю краевую поверхность (2) или отделен от расположенной там горячей стороны (18) или холодной стороны (19) только электрическим изоляционным слоем (16).

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии. Сущность: термоэлектрический материал содержит полупроводниковую подложку, полупроводниковую оксидную пленку, образованную на полупроводниковой подложке, и термоэлектрический слой, выполненный на полупроводниковой оксидной пленке.

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии. Сущность: способ изготовления структуры, используемой для производства термоэлектрогенератора, включает совместное формирование по меньшей мере одной полосы из материала n-типа и по меньшей мере одной полосы из материала p-типа за одну технологическую операцию и формирование соединений по меньшей мере между одной полосой из материала n-типа и по меньшей мере одной полосой из материала p-типа с помощью полос из проводящего материала.

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии. Сущность: термоэлектрический модуль (1) имеет внутреннюю периферийную поверхность (2), ось (3) и внешнюю периферийную поверхность (4).

Изобретение относится к термоэлектричеству. Сущность: термоэлектрический элемент по меньшей мере с одной термопарой (1), которая имеет n-легированный и р-легированный термоэлектроды (3а, 3b) из полупроводникового материала.

Изобретение относится к термоэлектрическому генератору. Сущность: термоэлектрическое устройство (1) содержит один модуль (2) с первым несущим слоем (3) и вторым несущим слоем (4), промежуточное пространство (5) между первым несущим слоем (3) и вторым несущим слоем (4), электроизолирующий слой (6) на первом несущем слое (3) и втором несущем слое (4) с их обращенной к промежуточному пространству (5) стороны и множество легированных примесями p-типа и легированных примесями n-типа полупроводниковых элементов (7), которые расположены в чередующейся последовательности в промежуточном пространстве (5) между электроизолирующими слоями (6) и попеременно электрически соединены между собой.

Изобретение относится к системам охлаждения и теплоотвода, например к устройствам для охлаждения компонентов электронной аппаратуры. Технический результат - повышение энергоэффективности системы охлаждения.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам теплообмена. Технический результат: повышение эффективности устройства за счет уменьшения кондуктивных паразитных потерь между горячими и холодными спаями. Сущность: полупроводниковые ветви p-типа расположены в одной плоскости, а все ветви n-типа - в другой параллельной плоскости. Ветви р- и n-типа выполнены в виде тонких пленок для уменьшения джоулевых тепловыделений и имеют разную толщину. Материал для металлических спаев подбирается различным для входящего и выходящего тока между спаями и полупроводниковыми ветвями с учетом контактных явлений между металлом и полупроводником. Также используются поверхности теплообмена внутри термоэлектрического устройства. 1 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам и их изготовлению. Сущность: термоэлектрический модуль (1), который простирается в продольном направлении (9), с внешней трубкой (2) и расположенной внутри внешней трубки (2) внутренней трубкой (3). Модуль содержит по меньшей мере одну первую полосовидную структуру (5) и одну вторую полосовидную структуру (7). Первая полосовидная структура (5), начиная от первого соединения (6) на внутренней трубке (3), а вторая полосовидная структура (7), начиная от второго соединения (12) на внешней трубке (2), простираются в соответственно противоположных направлениях (11) наклонно к поверхности трубки и по меньшей мере, частично образуют перекрытие (10). В области перекрытия (10) расположена по меньшей мере одна пара полупроводниковых элементов (13). Технический результат: повышение термостойкости и усталостной прочности термоэлектрического модуля за счет компенсации тепловых расширений отдельных компонентов термоэлектрического модуля. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии и может быть использовано для построения термоэлектрических батарей. Сущность: термоэлектрическая батарея содержит цельное металлическое основание, на котором размещены полупроводниковые стержни одного типа проводимости с образованием спаев. Выводы полупроводниковых стержней через ключи соединены с общей электрической шиной. Технический результат: упрощение конструкции. 3 ил.
Наверх