Термоэлектрический генератор с высоким градиентом температур между спаями

Авторы патента:

H01L35/32 - отличающиеся конструкцией или конфигурацией термоэлемента или термопары, образующей прибор

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:

Термоэлектрическая батарея // 2573608

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.

Термоэлектрическое устройство // 2573607

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

Термоэлектрический модуль для термоэлектрического генератора автомобиля // 2568078

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

Термоэлектрический модуль для термоэлектрического генератора автомобиля с уплотнительным элементом // 2564160

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).

Термоэлектрический материал, способ его получения и модуль для термоэлектрического преобразования с использованием этого материала // 2561659

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.

Структура, используемая для производства термоэлектрогенератора, термоэлектрогенератор, содержащий такую структуру, и способ ее изготовления // 2557366

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.

Термоэлектрический модуль для термоэлектрического генератора автомобиля // 2555186

Термоэлектрический элемент // 2546830

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.

Термоэлектрическое устройство // 2543697

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.

Энергоэффективное охлаждающее устройство // 2542887

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

Термоэлектрическое устройство с тонкопленочными полупроводниковыми ветвями и увеличенной поверхностью теплоотвода // 2575618

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.

Термоэлектрический модуль со средствами компенсации теплового расширения // 2575942

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.

Термоэлектрическая батарея // 2591230

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.

Термоэлектрический преобразователь энергии // 2604180

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). Ветви (1, 2) электроизолированы от поверхности теплообменных слоев (11, 12) пленочными диэлектрическими покрытиями (13, 14). Пространство между теплообменными слоями и термоэлектрическими ветвями заполнено изолятором (15). Каждая термоэлектрическая ветвь (1, 2) имеет два генерирующих участка (3 и 4, 6 и 7), каждый из которых образует тепловой контакт с одним из противоположно расположенных теплообменных слоев. Генерирующие участки соединены между собой электропроводящими участками (5, 8), выполненными в виде плоских перемычек, и образуют контактные р-n переходы с близлежащими генерирующими участками соседних термоэлектрических ветвей. В области контактных р-n переходов генерирующие участки соединены внахлест. Протяженность каждого контактного р-n перехода вдоль направления соединения термоэлектрических ветвей превышает толщину любого из генерирующих участков. Поверхность контактного р-n перехода между генерирующими участками обращена к поверхности теплообменного слоя. Толщина каждого генерирующего участка выбрана в диапазоне от 50 нм до 5 мкм. Между контактирующими поверхностями генерирующих участков в области контактного р-n перехода сформирован переходный пленочный слой из металла или сплава металлов. Технический результат: повышение удельной эффективности преобразования энергии и уменьшение размеров и массы устройства. 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

Термоэлектрический элемент // 2606250

Изобретение относится к термоэлектричеству. Технический результат: получение термоэлектрического элемента с высоким термическим сопротивлением, который требует меньше полупроводникового материала. Сущность: термоэлектрический элемент содержит подложку с передней стороной подложки и расположенной напротив передней стороны подложки задней стороной подложки, первый контакт, который в виде пленки нанесен на переднюю сторону положки, второй контакт, который в виде пленки нанесен на переднюю сторону положки, зазор между первым и вторым контактом, который термически и электрически отделяет первый и второй контакты друг от друга, и термоэлектрически активную пленку с верхней стороной и нижней стороной. Форма зазора между первым и вторым контактом не является прямолинейной. Контакты и термоэлектрическая пленка соединены друг с другом боковыми ограничивающими поверхностями. Термоэлектрически активная пленка расположена в зазоре таким образом, что нижняя сторона прилегает к передней стороне подложки и одна из боковых ограничивающих поверхностей прилегает к первому контакту, а вторая из боковых ограничивающих поверхностей прилегает ко второму контакту. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

Автономный циркуляционный термоэлектронасос для системы отопления // 2614349

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). Блок (3) состоит из двух полуцилиндрических кожухов с продольными щелями, в которые вставлены продольные ребра. Внутри ребер по всей их длине помещены зигзагообразные ряды, состоящие из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, состоящих из пары отрезков, выполненных из разных металлов. Концы отрезков расплющены, плотно прижаты друг к другу и расположены вблизи кромок ребер, прижатых в зоне нагрева к поверхности участка трубопровода (1) и в зоне охлаждения. Свободные концы зигзагообразных рядов каждой пары ребер с одного торца в зоне охлаждения соединены перемычками, а с противоположного - соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы, образуя теплоэлектрические секции. Конденсаторы через свои перемычки последовательно соединены между собой, образуя термоэлектрический блок, снабженный токовыводами с одноименными зарядами, соединенными электропроводкой с инвертором (4). Изобретение направлено на повышение эффективности и надежности работы системы отопления. 8 ил.

Трубчатый термоэлектрический модуль и способ изготовления его конструктивного элемента // 2615211

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). Технический результат: упрощение технологии изготовления и согласования допусков конструктивных деталей. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

Малоинерционный термопреобразователь // 2616982

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, а именно к устройствам термопреобразователей, и может быть использовано для измерения быстроменяющихся температурных процессов, например температуры капель воды. Сущность: термопреобразователь содержит кабели с термоэлектродами, например хромель и копель, спай и средство крепления кабелей. Термоэлектрод одного термопарного кабеля и термоэлектрод другого расположены напротив друг друга и освобождены от оболочки кабеля на длине, достаточной для исключения влияния теплоемкости кабеля на показания термопреобразователя, и образуют спай. Крепление концов кабелей, обращенных к спаю, осуществляют на корпусе, например, с помощью фольги, контактной сваркой. Ниже спая на корпусе закреплен элемент для осуществления стекания капель воды со спая. Технический результат: улучшение инерционных характеристик термопреобразователя и повышение точности измерения температуры газокапельного потока в условиях, когда масса капель сопоставима с размером спая. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Термоэлектрический элемент // 2628676

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.

Термоэлектрическое зарядное устройство для гаджетов // 2645872

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.