Термоелектрична батарея

Винахід належить до термоелектричних пристроїв, які використовуються для генерування електричної енергії чи охолодження і може бути використаний в термоелектричних джерелах живлення широкого призначення, а також для охолодження різного роду об'єктів у приладобудуванні, обчислювальній техніці і побуті. Відомі термоелектричні батареї, що містять напівпровідникові гілки n- і р-типу провідності, електропровідні комутаційні перемички для з'єднання гілок і теплопровідні пластини для поглинання і виділення тепла [1, 2, 3]. Недоліком відомих термоелектричних батарей є низька надійність, обумовлена послідовним з'єднанням гілок. При відмові однієї гілки виходить з ладу або вся батарея, якщо гілки з'єднані послідовно, або секція батареї, якщо в батареї застосовано паралельно-послідовне з'єднання, коли секції з'єднані паралельно, а гілки усередині секції - послідовно. Частково цей недолік усувається застосуванням резервних елементів, які при відмові гілок термоелектричної батареї переймають на себе функції гілок, що відмовили. У відомій термоелектричній батареї [3], що найбільш близька до даного винаходу і прийнята за прототип, застосовано так зване активне резервування. Активними резервуючими елементами у цьому прототипі є пари гілок n- і р-типу, що ідентичні парам гілок термоелектричної батареї, які вони резервують, і електричне з'єднані з ними паралельно. Недоліком прототипу є те, що при активному резервуванні зростають габарити і вартість термоелектричної батареї. Задачею пропонованого винаходу є створення термоелектричної батареї для підвищення її надійності за рахунок застосування більш економного і надійного, чим активне, пасивного резервування. При пасивному резервуванні гілки термоелектричної батареї шустуються резистивними елементами, які при відмові гілок запобігають розриву електричного кола термоелектричної батареї. Тому відмова гілок приводить лише до зменшення потужності і напруги термоелектричної батареї, пропорційно числу гілок, що відмовили. Задача винаходу досягається тим, що в термоелектричній батареї, яка містить: гілки n- і р-типу провідності; електропровідні перемички між гілками; дві теплопровідні основи, між якими розташовані згадані гілки; основи виконані у вигляді напівпровідникових пластин, що мають зиґзаґоподібний розріз і електричні контакти з зазначеними вище перемичками між гілками. Роль резервуючих елементів виконує легована домішками область пониженого питомого опору напівпровідникових пластин. У конкретних випадках виконання винаходу напівпровідникові пластини виконані з кремнію і мають леговану домішками область пониженого питомого опору r , що знаходиться в межах: Rh Rh 5 < r < 30 , d d де R - опір пари гілок n і р-типу, h - товщина пластини, d - товщина електроізолюючого прошарку. Наявність у напівпровідникових пластинах області пониженого питомого опору дозволяє створити в термобатареї паралельну поелементну схему оптимального пасивного резервування, яка забезпечує збереження працездатності термоелектричної батареї при розриві її електричного кола у випадку розриву контакту чи руйнування гілки. Сутність пропонованого винаходу пояснюється кресленнями. На фіг.1 показаний загальний вид термоелектричної батареї, на фіг.2 - також загальний вид термоелектричної батареї, де для наочності основні частини її конструкції показані розосередженими, на фіг.3 - перетин одного ряду гілок. На фіг.4 показано лінії струму через термоелектричну батарею при відсутності порушення контактів електричного кола або руйнування гілок. На фіг.5 - лінії стр уму у випадку розриву контакту або руйнування гілок. Термоелектрична батарея (фіг.1) містить гілки 1 n- і р-типу провідності, що чергуються. Вони виконані з відомих термоелектричних матеріалів, наприклад, сплавів на основі телуриду вісмуту, телуриду свинцю, сплавів германій-кремній. Гілки 1 розташовані паралельними рядами 2. Усередині кожного ряду 2 торці гілок 1 з'єднані електричне електропровідними перемичками 3 (фіг.2). Бічні грані гілок 1 розділені електроізолюючими прошарками 4. Ряди 2 з'єднані між собою електричне електропровідними перемичками 5. Перемички 3 і 5 виготовляються, наприклад, з нікелю. Бічні поверхні сусідніх рядів 2 розділені електроізолюючими прошарками 6. Електроізолюючі прошарки 4 і 6 виготовлені, наприклад, з епоксидного компаунда. Ряди 2 гілок 1 розташовані між двома теплопровідними основами 7. Основи 7 виконані у вигляді тонких пластин з матеріалу з високим значенням теплопровідності, наприклад, кремнію. Електропровідні перемички 3 і 5, що з'єднують гілки 1 і ряди 2, утворять електричну схему термоелектричної батареї. У показаному на фіг.1, 2 варіанті конкретного виконання винаходу електрична схема з'єднання гілок 1 і рядів 2 є схемою послідовного з'єднання. Однак, в інших варіантах виконання винаходу можуть бути застосовані й інші схеми електричного з'єднання гілок 1 і рядів 2, наприклад, використовувані у відомих термоелектричних батареях послідовно-паралельні схеми. З зовнішнім електричним колом термоелектрична батарея з'єднана за допомогою електричних контактів 8, розташованих на двох крайніх гілках 1 електричної схеми термобатареї. До контактів 8 кріпляться зовнішні виводи 9 батареї. На фіг.3 показано переріз ряду 2 гілок 1. Торці гілок 1 покриті антидифузійним шаром 10, виконаним, наприклад, з нікелю. Основи 7 мають леговану домішками область пониженого питомого опору 11, покриті адгезійним шаром 12, наприклад, титану і містять електропровідні перемички 3, 5. Вказані вище шари і перемички знаходяться в електричному і тепловому контакті з легованою домішками областю 11 кремнієвих пластин 7. Кремнієві пластини 7 з'єднуються електричне з торцями гілок 1 за допомогою припою 13. Пропонована згідно з винаходом термоелектрична батарея, подібно відомим термоелектричним батареям, може працювати в двох основних режимах - режимі генерації ЕРС і режимі теплового насоса. Робота пропонованої відповідно до винаходу термоелектричної батареї в режимі генерації ЕРС базується на використанні ефекту Зеєбека - виникнення термоерс у колі послідовно з'єднаних гілок, n і р-типу провідності, що чергуються, якщо протилежні торці гілок 1 знаходяться при різних температурах. Для створення різниці температур між протилежними торцями гілок 1 одна з напівпровідникових пластин 7 приводиться в тепловий контакт із джерелом тепла, а друга напівпровідникова пластина 7 приводиться в тепловий контакт із тепловідводом. Застосування джерел тепла і тепловідводів у даному винаході для створення різниці температур у гілках 1 зовсім аналогічно використанню джерел тепла і тепловідводів у відомих термоелектричних батареях. У режимі генерації ЕРС, що виникає у термобатареї, використовують таким самим чином, як і у відомих термоелектричних батареях, підключаючи зовнішнє електричне навантаження до контактів 8 через виводи 9. При пропусканні електричного струму через батарею вона працює в режимі теплового насоса й аналогічна роботі відомих термоелектричних батарей Пельтье. А саме, при пропусканні через батарею постійного електричного струму за рахунок ефекту Пельтье на одному з торців кожної гілки 1 виділяється тепло Пельтье, а одночасно на другому торці гілки 1 поглинається тепло Пельтье, у результаті чого, як і у відомих термобатареях, виникає різниця температур. Як і у відомих термоелектричних батареях, при зміні напрямку електричного струму в режимі теплового насоса змінюється на протилежний напрямок градієнта температур у термобатареї, дозволяючи здійснювати нагрівання чи охолодження пластин 7. Пропонований винахід дозволяє підвищити надійність термоелектричної батареї за рахунок протікання струму через області 11 пластин 7. Дійсно, при відсутності порушення контактів електричного кола термоелектричної батареї струм, що протікає через неї, практично минає кремнієву пластину 7 з легованою домішками областю 11, опір якої значно перевищує опір термобатареї, як це показано на фіг.4, де густина ліній струму 14 відображає густин у струм у в гілках 1 і в кремнієвих пластинах 7. У випадку розриву якого-небудь контакту чи р уйн ування вітки по легованій домішками області йде струм, який обходить зруйнований контакт чи гілку і відновлює електричне коло термобатареї. Розподіл густини в термоелектричній батареї для цього випадку показано на фіг.5, з якої ясно видно, що леговані домішками області 11 кремнієвих пластин 7 при відмові гілки забезпечують цілісність електричного кола батареї і протікання струму в обхід вітки 15, що відмовила. Таким чином, руйнування окремих гілок не приводить до розриву кола термоелектричної батареї, а лише знижує напругу і потужність, які розвиваються нею. Розрахунками й випробовуваннями виготовлених відповідно до винаходу термоелектричних батарей встановлено, що питомий опір r легованих домішками областей 11 бажано вибирати в межах Rh Rh 5 < r < 30 , d d де R - опір пари гілок n і р-типу, h - товщина пластини, d - товщина електроізолюючого прошарку. Випробовування виготовленої відповідно до винаходу термоелектричної батареї показали, що ймовірність відмовлень знижується на 2-5 порядків у порівнянні з відомими термоелектричними батареями однакової питомої потужності. Список цитованих патентів 1. US 3,884,726. Kurt Landecker. Thermoelectric element. 2. US 5650904. Gilley M.D., Doke M.J. Fault tolerant thermoelectric device circuit. 3. SU 797486. А.П. Ва хонина, В.Г.Карпов, М.Л. Фуксон, Е.Д.Щетинин. Каскадная полупроводниковая термоэлектробатарея.