Термоэлектрический элемент

Изобретение относится к области термоэлектричества. Сущность: термоэлектрический элемент (1) включает по меньшей мере две пленки основного материала (2) в виде углеродного материала с sp3 гибридизацией атомных связей, между которыми нанесена пленка дополнительного материала (3) в виде углеродного материала с sp2 гибридизацией связей. Толщина d, нм, пленки дополнительного материала (3) и толщина b, нм, пленки основного материала (2) удовлетворяет определенным соотношениям. Электрические контакты (4), (5) нанесены на противолежащие периферийные области поверхности пленки дополнительного материала (3). Термоэлектрический элемент (1) имеет более простую в изготовлении конструкцию и при этом сохраняет высокий коэффициент полезного действия. 2 ил.

 

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям и материалам, используемым в термоэлектрических элементах (ТЭЭ) и термоэлектрических батареях (ТЭБ).

Термоэлектричество является одним из альтернативных способов в технологии получения холода, который не использует химикаты, разрушающие озоновый слой Земли, и дает много дополнительных преимуществ, включая использование только твердотельных устройств, электронный контроль действия, обратимость производства нагревания и охлаждения. Термоэлектрические преобразователи используют в системах, утилизирующих тепло. Однако охлаждение с помощью термоэлектричества не имеет широкого распространения из-за низкой по сравнению с парожидкостным сжатием эффективностью. Термоэлектрическая эффективность (коэффициент преобразования друг в друга тепловой и электрической энергий) зависит от термоэлектрического параметра Z того материала, из которого термоэлектрическое устройство выполнено. Этот параметр определяется квадратом коэффициента термо-ЭДС S, умноженного на коэффициент электропроводности σ и деленного на коэффициент теплопроводности X.

Вследствие развития производства полупроводников появились ТЭЭ и ТЭБ, состоящие из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных элементов полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно p- и n-типов проводимости.

Так, известен термоэлектрический элемент (см. RU 2475889, МПК H01L 35/08, H01L 35/34, опубликован 20.03.2013), включающий термопары, которые содержат полупроводники n-типа и полупроводники p-типа, соединенные по меньшей мере с одним электропроводным контактным материалом.

Недостатком такой конструкции является громоздкость коммутационных электрических и тепловых контактов и недостаточно высокий коэффициент полезного действия.

Известен термоэлектрический элемент (см. заявка JPH 10173243, МПК H01L 35/22, опубликован 26.06.1998), включающий ветви n-типа проводимости из графита (кристаллического углерода) и p-типа проводимости в виде слоистой структуры из графита и FeC. Одни электроды (медные пластины) присоединены с помощью углеродной пасты к первым конечным поверхностям ветвей n-типа и p-типа, а другой электрод - общая медная пластина - присоединена к другим оконечным поверхностям упомянутых ветвей. Применение таких материалов для ветвей ТЭЭ уменьшает его стоимость и загрязнение окружающей среды.

Недостатком известного термоэлектрического элемента является его невысокая термоэлектрическая эффективность.

Известен термоэлектрический элемент (см. RU 2223573, МПК H01L 35/32), содержащий многослойное тело, состоящее из двух или более ламинарных тел, выполненных из металла, причем ламинарные тела имеют среднюю толщину от 0,3 до 100 нм, а термоэлектрический элемент используют посредством приложения тока в направлении толщины многослойного тела или при наличии разности температур между обоими концами в направлении толщины многослойного тела.

Разработанный для известного термоэлемента термоэлектрический материал имеет более высокий коэффициент Зеебека, чем в традиционных полупроводниках, и соответственно больший коэффициент преобразования мощности, а также высокую ударопрочность, сопротивление температурной деформации и способность к формоизменению. Однако величина термоэлектрической эффективности Z известного термоэлемента является недостаточной для многих технических применений. Известно (см. Koga Т., Rabin О., Dresselhaus M.S. - Thermoelectric figure of merit of Bi/Pb1-xEUxTe superlattices. - Physical Review B, 2000, v. 62, p. 16703), что для однородных материалов наибольшее значение термоэлектрического параметра - Z≈0,003 K-1 - при комнатной температуре (300 K) имеет сплав Bi2Te3. Такой сплав обладает рекордным для однородного материала термоэлектрическим параметром вследствие того, что в электропроводящих материалах наряду с обычным диффузионным механизмом перераспределения электронов между горячими и холодными областями возможен гораздо более эффективный механизм увлечения электронов тепловым потоком (фононами), известный как эффект Гуревича (см. Гуревич Л.Э. Термоэлектрические свойства проводников. Журнал экспериментальной и теоретической физики. Т. 16, вып. 3, с. 193-227, 1946). Поток фононов увлекает электроны в сторону горячего конца образца и это дает вклад в коэффициент термоЭДС. В легированном висмуте (Bi2Te3) этот эффект определяет общий коэффициент термо-ЭДС, который создает упомянутый выше рекордный термоэлектрический параметр.

Известен термоэлектрический элемент (см. US 6670539, МПК H01L 35/18, H01L 35/34, H01L 35/12, опубликован 30.12.2003), содержащий дополнительный материал висмут, сплав с висмутом, висмут в других металлах и смеси вышеперечисленных материалов (возможно, включающих дополнительные добавки), помещенный в протяженные параллельно расположенные поры основного пористого материала с размерами пор 5-15 нм. Основной материал берется в виде неокисленного пористого алюминия, пористого стекла или пористого силикагеля. Основной материал использован в форме объемного материала. Электрические контакты присоединены к торцовым поверхностям дополнительного материала в порах основного.

Достигнутое в известном термоэлектрическом элементе рекордное в то время значение параметра Z=0,08 K-1 (при температуре 77 К) в настоящее время уже недостаточно для многих применений; к тому же термоэлектрический элемент имеет относительно невысокий коэффициент полезного действия.

Известен термоэлектрический элемент (см. патент RU 2376681, МПК H01L 35/12, H01L 35/32, опубликован 20.12.2009), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Термоэлектрический элемент-прототип состоит из основного материала, имеющего протяженные параллельные углубления, и расположенного в них дополнительного материала, имеющих различные электропроводности и теплопроводности, и электрических контактов к дополнительному материалу. В качестве основного материала термоэлектрического элемента взят углеродный материал с sp3 гибридизацией атомных связей, а в качестве дополнительного материала - углеродный материал с sp2 гибридизацией связей. Углубления выполнены в виде канавок, у которых глубина, ширина и расстояние между осями ближайших канавок удовлетворяют определенным соотношениям:

2 нм≤d≤10 нм,

1≤I/b≤100,

где d - глубина канавки, нм;

b - ширина канавки, нм;

I - расстояние между осями ближайших канавок, нм,

а электрические контакты расположены вдоль дна канавок и на противоположной поверхности дополнительного материала.

Термоэлектрический элемент-прототип имеет повышенный коэффициент полезного действия за счет высокой термоэлектрической эффективности, а также обеспечивает миниатюризацию устройства, так как нанометрические размеры канавок и менее чем микрометрические размеры расстояния между канавками позволяют создавать из таких термоэлементов минитермоэлектрические батареи, удовлетворяющие требованиям пользователей.

Недостатками термоэлектрического элемента-прототипа являются технологическая трудность создания канавок необходимых размеров и трудность размещения в них дополнительного материала и электрических контактов к дополнительному материалу.

Задачей настоящего технического решения являлась разработка такого термоэлектрического элемента, который бы имел более простую в изготовлении конструкцию и при этом сохранял высокий коэффициент полезного действия.

Поставленная задача решается тем, что термоэлектрический элемент включает основной материал в виде углеродного материала с sp3 гибридизацией атомных связей и дополнительный материал в виде углеродного материала с sp2 гибридизацией связей. Новым является выполнение основного материала в виде по меньшей мере двух пленок, между которыми расположена пленка дополнительного материала, при этом толщина d, нм, пленки дополнительного материала и толщина b, нм, пленки основного материала удовлетворяет соотношениям:

а электрические контакты нанесены на противолежащие периферийные области поверхности пленки дополнительного материала.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где

на фиг. 1 показан настоящий ТЭЭ в вертикальном сечении;

на фиг. 2 изображена ТЭБ, состоящая из многих отдельных ТЭЭ, в вертикальном сечении.

Настоящий термоэлектрический элемент 1 включает (см. фиг. 1) две пленки основного материала 2 в виде углеродного материала с sp3 гибридизацией атомных связей, между которыми расположена пленка дополнительного материала 3 в виде углеродного материала с sp2 гибридизацией связей. На противолежащие периферийные области поверхности пленки дополнительного материала 2 нанесены электрические контакты 4, 5. Один из контактов 3 или 4 является горячим, а другой холодным. Толщина d, нм, пленки дополнительного материала 3 и толщина b, нм, пленки основного материала 2 удовлетворяет приведенным выше соотношениям (1), (2).

Изображенная на фиг. 2 термоэлектрическая батарея включает подложку 6 в виде пластины из материалов, выбираемых из требований технологии изготовления, на которой расположены стопкой термоэлектрические элементы 1.

Настоящий ТЭЭ изготовляют путем нанесения методом химического осаждения в вакууме - методом CVD - сначала пленку основного материала 2 в виде углеродного материала с sp3 гибридизацией атомных связей. Затем на пленку основного материала 2 тем же методом наносят пленку дополнительного материала 3 в виде углеродного материала с sp2 гибридизацией связей. Контакты 4, 5 из материалов, выбираемых из требований технологии изготовления и обеспечивающие электрическую связь с дополнительным материалом 3, наносят на периферийные области поверхности дополнительного материала 3. Контакты 4, 5 могут иметь вертикальный размер, выбираемый из требований технологии изготовления, и должны обеспечивать возможность дальнейшего вывода на шины выводов контактов 4, 5. Порядок нанесения контактов 4, 5 выбирают из требований технологии изготовления. Затем наносят пленку основного материала 2, покрывающий дополнительный материал 3 и контакты 4, 5.

Для создания ТЭБ сначала изготавливают на подложке 6 ТЭЭ 1. Затем на пленку основного материала 2, покрывающую пленку дополнительного материала 3 и контакты в уже созданном ТЭЭ 1, наносят следующую пленку дополнительного материала 3. Затем на пленку, нанесенную, как указано выше, дополнительного материала 3 наносят контакты 4, 5 и затем поверх пленку основного материала 2. Этот процесс повторяют столько раз, сколько нужно для создания требуемой термоэлектрической батареи.

Настоящий ТЭЭ 1 начинает работать при приложении разности температур между контактами 4 и 5. Если охлаждается контакт 5 и/или прилегающая к нему область дополнительного материала 3, а нагревается контакт 4 и/или прилегающая к нему область дополнительного материала 3, то во внешней цепи между контактами 4-5 будет протекать электрический ток. ТЭЭ 1 при этом работает в режиме термоэлектрического генератора. Если по внешней цепи пропускать электрический ток, направленный от контакта 4 к контакту 5, то контакт 5 и прилегающая к нему область дополнительного материала 3 станут холоднее, чем они были до пропускания тока. ТЭЭ 1 при этом работает в режиме термоэлектрического холодильника.

Примеры конкретного исполнения

Пример 1. Был создан ТЭЭ согласно формуле изобретения. На подложку (пластину из кремния) наносили методом CVD пленку основного материала - углеродного материала с sp3 гибридизацией атомных связей (алмазоподобную пленку) толщиной b=80 нм. Затем на основной материал наносили методом CVD пленку дополнительного материала - углеродного материала с sp2 гибридизацией связей (графитоподобную пленку) толщиной d=40 нм. Пленки лежат в параллельных плоскостях. На пленку из дополнительного материала методом CVD нанесли вторую пленку основного материала толщиной b=80 нм. На одну периферийную область поверхности пленки дополнительного материала наносили один контакт, на противолежащую периферийную область поверхности пленки дополнительного материала наносили второй контакт. При этом были выдержаны соотношения d=40 нм и b/d=2. Контакты обеспечивали электрическую связь с дополнительным материалом за счет того, что они состояли из подслоя хрома толщиной 1 нм и слоя золота толщиной 30 нм поверх него. Далее контакты были выведены на шины. В результате была достигнута эффективность термоэлектрического преобразования Z=0,1 K-1 (при Т=77 K), что по оценке авторов всего в 2 раза меньше, чем в прототипе, при значительном упрощении изготовления. Упрощение состоит в том, что не требовалось изготовления канавок. Технология изготовления канавок требует сложного литографического оборудования. Еще одно упрощение состояло в том, что не требовалось размещения контакта на дне канавки. В настоящее время не существует стандартного оборудования и технологии, обеспечивающих выполнение такой операции.

Пример 2. Во втором варианте исполнения размеры структуры термоэлемента составляли d=20 нм, а соотношение b/d=10. Все остальные параметры оставались те же, что в примере 1. Полученная величина Z=0,044 K-1, что несколько меньше, чем в прототипе, при сильном упрощении изготовления.

Использование настоящей конструкции позволяет преодолеть недостатки ТЭЭ-прототипа, которыми являются технологическая трудность создания канавок необходимых размеров и трудность размещения в них дополнительного материала и электрических контактов к дополнительному материалу. Решена задача разработки такого ТЭЭ, который бы имел более простую в изготовлении конструкцию и при этом сохранял высокий коэффициент полезного действия, а также обеспечивает миниатюризацию устройства, т.к. нанометровые толщины пленок дополнительного материала и менее чем микрометрические расстояния между слоями дополнительного материала позволяют создавать из таких ТЭЭ мини-ТЭБ, удовлетворяющие требованиям пользователей.

Термоэлектрический элемент, включающий основной материал в виде углеродного материала с sp3 гибридизацией атомных связей и дополнительный материал в виде углеродного материала с sp2 гибридизацией связей, отличающийся тем, что основной материал выполнен в виде по меньшей мере двух пленок, между которыми расположена пленка дополнительного материала, при этом толщина d, нм, пленки дополнительного материала и толщина b, нм, пленки основного материала удовлетворяет соотношениям:

2 нм ≤ d ≤ 50 нм,

1≤b/d≤100,

а электрические контакты нанесены на противолежащие периферийные области поверхности пленки дополнительного материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, а именно к устройствам термопреобразователей, и может быть использовано для измерения быстроменяющихся температурных процессов, например температуры капель воды.

Изобретение относится к области термоэлектричества, а именно к технологии изготовления конструктивных элементов для термоэлектрических модулей. Сущность: способ изготовления конструктивного элемента (12) для термоэлектрического модуля (15) имеет следующие шаги: а) обеспечение по меньшей мере одной нити (1), имеющей протяженность (2), б) обеспечение трубчатого приемного элемента (13), имеющего внешнюю периферическую поверхность (14), в) нанесение термоэлектрического материала (3) по меньшей мере на одну нить (1), г) наматывание по меньшей мере одной нити (1) вокруг трубчатого приемного элемента (13), так что на внешней периферической поверхности (14) образовывается по меньшей мере один кольцеобразный конструктивный элемент (12) для термоэлектрического модуля (15).

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам теплоснабжения зданий. Термоэлектронасос содержит подающий трубопровод (1) с термоэлектрическим блоком (3), соединенным электропроводкой с инвертором (4), аккумулятором (5) и электродвигателем насоса (6), установленным в трубопроводе (2).

Изобретение относится к термоэлектричеству. Технический результат: получение термоэлектрического элемента с высоким термическим сопротивлением, который требует меньше полупроводникового материала.

Изобретение относится к термоэлектрическим преобразователям энергии. Сущность: термоэлектрический преобразователь содержит по меньшей мере одну термоэлектрическую ячейку с последовательно соединенными пленочными термоэлектрическими ветвями (1, 2), выполненными из полупроводниковых материалов и расположенными между теплообменными слоями (11, 12).

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.

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).

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам теплообмена. Технический результат: повышение эффективности устройства за счет уменьшения кондуктивных паразитных потерь между горячими и холодными спаями.

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.

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 области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в теплоэлектрических генераторах, применяемых преимущественно для энергопитания бытовой аппаратуры, например, радиоприемников.

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для трансформации тепловой энергии в электрическую, а именно для подзарядки различных гаджетов и других устройств при отсутствии источников электроснабжения. Сущность завяленного решения заключается в том, что термоэлектрическое зарядное устройство для гаджетов содержит корпус, выполненный из материала–диэлектрика с высокой теплопроводностью, оребренный с противоположных сторон параллельными ребрами, образующими между собой пазы, внутри ребер помещены П–образные ряды, выполненные из стекловолокнистых полос, поверхности парных перпендикулярных отрезков которых поочередно покрыты фольгой разных металлов М1 и М2, их концы согнуты под углом 90°, соединены между собой и также покрыты двумя слоями фольги металлов М1 и М2 соответственно, образуя отдельные термоэмиссионные элементы, согнутые концы парных перпендикулярных отрезков располагаются в противоположных гранях параллельных ребер параллельно их торцевой поверхности и закрыты слоем материала–диэлектрика, крайние перпендикулярные отрезки каждого ряда через один соединены между собой перемычками, крайние перпендикулярные отрезки крайних П–образных рядов соединены с однополюсными коллекторами, которые, в свою очередь, соединены с преобразователем и аккумулятором, а в пазах размещена решетка, состоящая из рамки с продольными полосами, зеркально отражающая пазы корпуса, выполненная из материала с высокой теплопроводностью. Технический результат при реализации заявленного устройства заключается в том, чтобы повысить эффективность заряда, наряду с получением электрической энергии обеспечить значительное снижение расхода металлов на изготовление термоэмиссионных элементов, а также упростить их изготовление и значительно снизить вес устройства. 7 ил.

Изобретение относится к области термоэлектричества. Сущность: термоэлектрический элемент включает по меньшей мере две пленки основного материала в виде углеродного материала с sp3 гибридизацией атомных связей, между которыми нанесена пленка дополнительного материала в виде углеродного материала с sp2 гибридизацией связей. Толщина d, нм, пленки дополнительного материала и толщина b, нм, пленки основного материала удовлетворяет определенным соотношениям. Электрические контакты, нанесены на противолежащие периферийные области поверхности пленки дополнительного материала. Термоэлектрический элемент имеет более простую в изготовлении конструкцию и при этом сохраняет высокий коэффициент полезного действия. 2 ил.

Наверх