Способ термоэлектрического охлаждения

Авторы патента:

F25B21/02 - использование эффекта Пельтье; использование эффекта Нернст-Эттингхаузена (термоэлектрические элементы H01L 35/00,H01L 37/00)

Владельцы патента RU 2762316:

Нургалиев Марат Ибрагимович (RU)

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к термоэлектрическим способам преобразования электрической энергии в холод. Термоэлектрический холодильник состоит из полупроводниковых ветвей n- и p- типа, металлических пластин, обеспечивающих соединение торцов ветвей, горячего и холодного спаев, образующихся при протекании тока. Металлические пластины у холодных спаев коммутируют с торцами ветвей до включения тока и размыкают после выключения тока, при этом амплитуду и длительность тока выбирают оптимальной. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия термоэлектрического охлаждения. 3 ил.

Действие термоэлектрических устройств охлаждения основано на эффекте Пельтье, открытом в 1834 году. Холод выделяется при протекании тока в определенном направлении через контакт двух разнородных материалов. Эффекту Пельтье сопутствуют два других термоэлектрических эффекта - Зеебека и Томсона, снижающих эффективность производства холода. Известно большое количество конструкций термоэлектрических генераторов холода, с присущими им всем одинаковыми признаками:

1. Наличие двух разнородных проводящих материалов, контактирующих непосредственно между собой или через металлическую пластину и образующих при этом области горячего и холодного спаев при протекании тока.

2. Последовательным соединением термоэлектрических элементов в электрическую цепь для получения большего количества холода. При этом элементы расположены параллельно по отношению к тепловому потоку.

Аналогом и прототипом предложенного автором технического решения выбран способ охлаждения в термоэлементе, приведенный в книге “Термоэлектрические охладители”. З.М. / Лукишкер, А.Л. Вайнер, М.Н. Сомкин, В.Ю. Водолагин. / Под ред. А.Л. Вайнера. - М. Радио и связь. 1983. - 176 с., стр. 21. Термоэлемент изображен на фиг. 1 и состоит из двух полупроводниковых стержней n- и p-типа, называемых ветвями. Одни торцы ветвей n- и p- типа соединяются между собой металлической коммутационной пластиной и образуют спай. К другим торцам ветвей n- и p-типа подсоединены металлические пластины так же образующие спаи.

Способ охлаждения заключается в том, что при подключении источника тока указанной полярности, по термоэлементу течет ток, электроны из коммутационной пластины на одном спае переходят в ветвь n-типа, а дырки в ветвь p-типа, при этом один из спаев охлаждается, противоположные спаи нагреваются.

Для снижения передачи тепла от горячих спаев по ветвям к холодному спаю обычно прибегают к принудительному охлаждению горячих спаев.

Для получения большого количества холода, термоэлементы набираются в батареи. При этом они обычно соединяются последовательно в электрическую цепь и параллельно по отношению к тепловому потоку.

Основным недостатком способа охлаждения прототипа является низкий коэффициент полезного действия (КПД), то есть низкая холодопроизводительность.

Дело в том, что материал, соединяющий холодный и горячий спаи термоэлектрического элемента должен обладать хорошей электропроводностью, но малой теплопроводностью. Во время работы термоэлектрического элемента на одном из спаев выделяется холод, а на другом спае выделяется тепло. Этот градиент температуры приводит к переносу тепла от горячего спая по ветвям к холодному спаю. Процесс выравнивания температуры в объеме термоэлемента идет непрерывно, при этом повышает температуру холодного спая и соответственно снижает эффективность генерации холода.

Этот недостаток обусловлен тем, что холодный и горячий спаи термоэлектрического элемента соединены материалом, требования к характеристикам которого, с точки зрения обеспечения высокой холодопроизводительности, противоположны. С одной стороны он должен иметь высокую электропроводность, с другой стороны низкую теплопроводность. Но электроны, ответственные за электропроводность, также участвуют совместно с кристаллической решеткой и в процессе теплопроводности. Это противоречие, трудно разрешимое, не позволяет достичь высоких значений КПД термоэлектрического элемента.

Таким образом, недостатком способа охлаждения прототипа является низкий КПД.

Техническим эффектом изобретения является повышение КПД способа охлаждения в термоэлектрическом холодильнике.

Технический эффект достигается следующим образом:

Способ охлаждения в термоэлектрическом холодильнике, состоящем из полупроводниковых ветвей n- и p-типа, металлических пластин, обеспечивающих электрическое соединение торцов n- и p-типа ветвей, горячего и холодного спаев, образующихся при протекании тока, заключающийся в том, что металлические пластины у холодных спаев коммутируют с торцами ветвей до включения тока и размыкают после выключения тока, при этом амплитуду и длительность тока выбирают оптимальной.

На фиг. 2, 3 представлены рисунки термоэлектрического холодильника, реализующего предлагаемое техническое решение. Термоэлектрический холодильник состоит из металлических коммутационных пластин 1, 2, 7, 10, 13, металлических пленок 3, 4, 5, 6, полупроводниковых ветвей n-типа 8, 11, полупроводниковых ветвей p-типа 9, 12. На фиг. 2 металлические пластины 1, 2 находятся в состоянии разомкнуто с металлическими пленками 3, 4, 5, 6, а на фиг. 3 металлические пластины 1, 2 коммутирует с металлическими пленками 3, 4, 5, 6 на полупроводниковых ветвях. Металлические пленки 3, 4, 5, 6 технологические, служат для придания твердости и износостойкости контактируемым поверхностям.

Способ охлаждения в термоэлектрическом холодильнике работает следующим образом.

1. В исходном состоянии, фиг. 2 металлические пластины 1, 2 не контактирует с металлическими пленками 3, 4, 5, 6. Электрическая цепь разомкнута, ток по термоэлементу не протекает.

2. Состояние, изображенное на фиг. 3. Металлические пластины 1, 2 коммутируют с ветвями 8, 9, 11, 12 через металлические пленки 3, 4, 5, 6. Электрическая цепь замкнута. К металлическим пластинам 7 и 13 подключен источник тока, по замкнутой цепи протекает ток указанной направленности. Амплитуда и длительность тока выбираются оптимальными исходя из размеров конструкции, результатов эксперимента, с целью достижения максимальной холодопроизводительности или экономичности режима работы. В результате верхний спай и, следовательно, пластины 1, 2 охлаждаются, пластины 7, 10, 13 нагреваются.

3. На пластинах возникает градиент температуры. Холод из пластин 1, 2 начинает двигаться (условно можно так назвать) через ветви 8, 9, 11, 12 в сторону пластин 7, 10, 13, а тепло двигаться (диффундировать) из пластин 7, 10, 13 в сторону пластин 1, 2.

4. В какой-то момент времени, определяемый экспериментально, ток отключается, затем размыкаются контакты между пластинами 1, 2 и ветвями 8, 9, 11, 12, фиг. 2. Путь для движения тепла (и холода) прерывается, так как теплопроводность воздуха (или вакуума, в зависимости от реализованной конструкции коммутации пластин) во много раз меньше, чем металла, полупроводника. Температура горячего спая снижается за счет естественного рассеивания тепла (или принудительного охлаждения в случае необходимости).

Реализация устройства коммутации пластин может быть осуществлена самыми разнообразными способами, например, вакуумными магнитоуправляемыми реле. Это определяется в большей степени конструкцией термоэлектрического холодильника, его предназначением.

Оптимальные значения амплитуды и длительности тока определяются экспериментально, зависят от конструктивных особенностей, а также от поставленных перед устройством охлаждения задач. Это может быть режим максимальной холодопроизводительности, экономичности или надежности. Оптимальные значения амплитуды и длительности тока будут при этом отличаться от оптимальных значений для прототипа и аналогов.

Преимущество заявленного способа охлаждения от прототипа обеспечивается:

1. Металлические пластины у холодных спаев коммутируют с торцами ветвей до или одновременно с включением тока и размыкают одновременно или после выключения тока. Это приводит к резкому снижению теплопроводности канала. Известно (Булат Л.П., Бузин Е.В. Термоэлектрические охлаждающие устройства: Метод. указания для студентов спец. 070200 “Техника и физика низких температур”. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. - 41 с. стр. 13), что материалы для термоэлектрических преобразователей характеризуются добротностью полупроводникового вещества:

где Z - добротность, σ - электропроводность, α - коэффициент термоЭДС, k - теплопроводность.

Чем выше добротность материала Z, тем выше его эффективность, больше максимальное снижение температуры на спаях. Холодильный коэффициент стремится к своему максимальному значению, при добротности, стремящейся к бесконечности. В предложенном техническом решении размыкание пластин от ветвей приводит к резкому снижению теплопроводности.

2. Значительным сокращением расхода дорогостоящего полупроводникового материала для изготовления ветвей.

В промышленно выпускаемых термоэлектрических модулях высота ветвей составляет в среднем 2 мм. В предложенном техническом решении полупроводниковые ветви могут быть изготовлены очень малых размеров, достаточно нескольких сотен микрометров, что равносильно сокращению расходов дорогостоящего материала более чем в 2 раза. Это приведет к существенному снижению себестоимости изделия.

Способ охлаждения в термоэлектрическом холодильнике, состоящем из полупроводниковых ветвей n- и p-типа, металлических пластин, обеспечивающих соединение торцов ветвей, горячего и холодного спаев, образующихся при протекании тока, отличающийся тем, что металлические пластины у холодных спаев коммутируют с торцами ветвей до включения тока и размыкают после выключения тока, при этом амплитуду и длительность тока выбирают оптимальной.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, к системам поквартирного отопления и электроснабжения жилых зданий. Предложен термоэлектрический источник электроснабжения для автономного теплогенератора (ТЭИЭС), содержащий теплогенератор (1), снабженный газовым патрубком (2), соединенным с магистральной трубой дымовых газов (3), участок которого на выходе из теплогенератора покрыт цилиндрическим воздушным кожухом (4), состоящим из двух полукожухов (5), снабженных крепежными отверстиями (6), в которые вставлены сквозные крепежные болты (7), заглушенных с внутреннего торца и образующих с наружного торца кольцевую заборную щель (8).

Автономная космическая энергетическая установка // 2724206

Изобретение относится к энергосистемам на основе прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано, в частности, для энергоснабжения лунной базы. Установка содержит два замкнутых контура жидкометаллического теплоносителя (ЖМТ).

Термоэлектрический источник электроснабжения для теплового пункта // 2705348

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий. Термоэлектрический источник электроснабжения для теплового пункта включает участок подающего трубопровода, термоэлектрический блок на его поверхности, соединенный электропроводкой с инвертором, аккумулятором, электродвигателем циркуляционного насоса и электроприводом регулировочного клапана.

Слоевой пластинчатый термоэлектрогенератор // 2701883

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Изобретение представляет собой слоевой пластинчатый термоэлектрогенератор, содержащий термоэлектрическую секцию, состоящую из термоэлектрических преобразователей, выполненных из соединенных между собой у кромок пластин металлов М1 и М2, крайние из которых соединены с токовыводами, термоэлектрическая секция которого выполнена в виде слоевой ленты, состоящей из термоэлектрических преобразователей, каждый из которых представляет собой Z-образную пластину, выполненную из металла М1, соединенную поочередно сваркой или спайкой с горизонтальным нижним ребром, находящимся в зоне нагрева или верхним ребром, находящимся в зоне охлаждения, П–образной пластины, выполненной из металла М2, образуя нижние и верхние спаи, соответственно, причем по всей длине ленты в промежутке между верхним и нижним спаями термоэлектрических преобразователей помещены теплоизоляционные прокладки с напуском относительно вышеупомянутых спаев, равным Δ, верхняя и нижняя наружные поверхности всех термоэлектрических преобразователей покрыты слоем гидроэлектроизоляции, а к верхней наружной поверхности всех термоэлектрических преобразователей прикреплен радиатор, выполненный из материала с высокой теплопроводностью.

Летательный аппарат // 2677741

Изобретение относится к летательным аппаратам. Летательный аппарат содержит фюзеляж, на внутренней поверхности фюзеляжа жестко закреплен тепловой коллектор.

Компактный термоэлектрогенератор // 2654980

Использование: для трансформации тепловой энергии в электрическую при отсутствии источников электроснабжения. Сущность изобретения заключается в том, что компактный термоэлектрогенератор содержит отбортованный сверху корпус, закрытый съемной прижимной крышкой, выполненные из материала–диэлектрика с высокой теплопроводностью, в отверстиях крышки и резьбовых отверстиях корпуса расположены прижимные болты, съемная прижимная крышка снабжена на противоположных концах полюсными коллекторами, внутри корпуса параллельно его торцам вертикально установлены пластины, выполненные из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, противоположные поверхности каждой из которых поочередно покрыты Z–образными полосами фольги разных металлов М1 и М2 соответственно таким образом, чтобы верхние горизонтальные торцы полос металлов М1 и М2 одной пластины были прижаты к верхнему торцу этой пластины, образуя отдельный термоэмиссионный преобразователь, а нижние горизонтальные торцы этих же полос были прижаты совместно с горизонтальными торцами предыдущих и последующих полос фольги металлов М1 и М2 к нижним торцам предыдущих и последующих пластин, образуя предыдущие и последующие термоэмиссионные преобразователи и термоэлектрическую секцию, причем плотный контакт нижних концов полюсных коллекторов с торцами Z–образных полос верхних и нижних торцов полос фольги металлов М1 и М2 всех термоэмиссионных преобразователей осуществляется прижатием крышки к корпусу путем ее вертикального перемещения при вращении прижимных болтов.

Компактный термоэлектрический генератор // 2650758

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для преобразования тепловой энергии в электрическую. Компактный термоэлектрический генератор, содержащий корпус, закрытый съемной крышкой, выполненной из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, при этом корпус снабжен с торца отверстием и жестко соединен с гайкой, в которой расположен прижимной болт, съемная крышка снабжена на противоположных концах полюсными коллекторами, внутри корпуса по порядку, начиная от торца с прижимным болтом, расположены прижимная плита, выполненная из прочного диэлектрического материала, и установленные параллельно ей пластины, выполненные из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, поверхности каждой пары пластин поочередно покрыты Г-образно полосами фольги разных металлов М1 и М2, образуя термоэмиссионный элемент, каждый из которых соединен между собой, образуя термоэлектрическую секцию, причем при закрытии корпуса съемной крышкой нижние концы полюсных коллекторов прижимаются к верхним концам крайних термоэмиссионных элементов, плотное соединение верхних и нижних стыков которых достигается вращением прижимного болта, перемещающего прижимную плиту, или установкой упругого элемента в пространстве между торцом корпуса и прижимной плитой.

Сетевая система, устойчивая к неблагоприятным событиям // 2649647

Использование: для создания системы сетевой коммуникации. Сущность изобретения заключается в том, что в состав системы входят: по меньшей мере два коммуникационных устройства, связанных между собой посредством сети, причем электропитание указанных коммуникационных устройств осуществляется от генератора электроэнергии; указанный генератор электроэнергии включает в себя по меньшей мере одну ячейку, содержащую слой обогащенного электронами материала-донора в контакте со слоем обогащенного дырками материала-акцептора, причем оба слоя находятся в электрическом контакте со схемой; и по меньшей мере одна ячейка дополнительно характеризуется ионным материалом, который поглощен этой ячейкой или введен в нее, чтобы облегчить прохождение электронов от одной стороны ячейки к другой, тем самым создавая ячейки с электрическим потенциалом на интерфейсе донорных и акцепторных материалов; обеспечивая тем самым систему коммуникации с распределенной генерацией электроэнергии, устойчивую к неблагоприятным событиям.

Термоэлектрический трансформатор постоянного напряжения // 2649068

Термоэлектрический трансформатор предназначен для преобразования постоянного напряжения одного значения в другое с гальванической развязкой без промежуточного преобразования первичного напряжения в переменное. Данный термоэлектрический трансформатор постоянного напряжения содержит радиатор и три термоэлектрических модуля, причем электрические выводы первого модуля подключены к первичному источнику постоянного напряжения, а второго – выходные.

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).

Установка локального обогрева поросят с использованием термоэлектрического теплового насоса // 2743814

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к установкам локального обогрева поросят с использованием термоэлектрического теплового насоса. Установка содержит термопанель (9) для обогрева поросят с теплоизоляцией (14), блок управления (6) с датчиком (7) и регулятором температуры.