Термоелектрична батарея

Реферат: UA 72073 U UA 72073 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до термоелектричних пристроїв, що призначені для охолодження потоків газів або рідин, та знайде застосування в холодильній техніці, електроніці та приладобудуванні. Відомі проникні термоелементи, що містять гілки n- і р-типів провідності з термоелектричних матеріалів, в яких наявні канали для прокачування газів або рідин (теплоносія) [1]. Використання таких термоелементів для охолодження теплоносіїв дозволяє підвищити холодильний коефіцієнт в порівнянні з традиційними термоелектричними елементами завдяки покращенню інтенсивності теплообміну між теплоносієм і матеріалом гілок термоелемента [2, 3]. Однак, мінімальна температура охолодження теплоносія, яка досягається, залишається на тому ж рівні, що у традиційних термоелементів. Отримання більш низьких температур охолодження значно б розширило можливості практичного застосування прямого безмашинного термоелектричного способу охолодження, який характеризується простотою конструкції, високою надійністю в роботі, екологічною чистотою, високою точністю регулювання температурного режиму, тощо. З існуючих аналогів найбільш близьким за технологічною суттю є термоелектрична батарея охолодження [4]. Вона також складається з термоелементів на основі гілок p- і n-типів провідності з'єднаних комутаційною пластиною. В такій батареї, для пониження температури охолодження, термоелементи згруповані по каскадах, які розташовані один за одним по тепловому потоку так, що один каскад підохолоджує другий, тим самим збільшуючи глибину охолодження. Кожен з каскадів створюють з оптимізованих матеріалів для свого робочого діапазону температур, що дозволяє також підвищити холодильний коефіцієнт батареї. Але його практичне використання не дає достатніх значень ефективності перетворення енергії [5]. Тому актуальною є задача створення термоелектричної батареї охолодження, яка б забезпечила більшу глибину охолодження з максимальною термодинамічною ефективністю перетворення енергії. Вказана задача вирішується тим, що запропонована термоелектрична батарея на основі проникних термоелементів, гілки яких створюються з проникних термоелектричних матеріалів nта p-типів провідності, згідно з корисною моделлю, складається з груп (каскадів) проникних термоелементів; кожен каскад має теплообмінні системи відводу тепла від спаїв термоелементів та циркуляції теплоносія (рідини або газу); для суміжних каскадів система циркуляції теплоносія та система відводу тепла з'єднані між собою; системи циркуляції теплоносія каскадів з'єднані між собою послідовно, а системи відводу тепла від гарячих спаїв каскадів також з'єднані між собою послідовно. Відповідність критерію "новизна" запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що на даний момент заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для термоелектричної батареї на основі проникних термоелементів, гілки яких створюються з проникних термоелектричних матеріалів n- та р-типів провідності; батарея складається з груп (каскадів) проникних термоелементів; кожен каскад має теплообмінні системи відводу тепла від спаїв термоелементів та циркуляції теплоносія (рідини або газу); для суміжних каскадів система циркуляції теплоносія та система відводу тепла з'єднані між собою; системи циркуляції теплоносія каскадів з'єднані між собою послідовно а системи відводу тепла від гарячих спаїв каскадів також з'єднані між собою послідовно. Промислове використання запропонованого технічного рішення не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах електронного та приладобудівного напрямків. Суть корисної моделі представлено на фіг. 1 та 2. На фіг. 1 представлена термоелектрична батарея з проникних термоелементів 1, що містять гілки n- і р-типів провідності з напівпровідникових термоелектричних матеріалів, в яких наявні канали 2 для прокачування теплоносія 3, термоелементи 1 електрично з'єднаних послідовно-паралельно комутаційними пластинами 4 таким чином, щоб вони утворювали групу (каскад). Кожен каскад забезпечується системою відводу тепла 5 від теплих спаїв проникних термоелементів та системою циркуляції теплоносія 6, що охолоджується. Сукупність таких каскадів утворює термоелектричну батарею. Для суміжних каскадів система циркуляції теплоносія та система відводу тепла з'єднані між собою послідовно таким чином, щоб охолоджений теплоносій на одному каскаді прокачувався насосом 7 через систему відводу тепла іншого каскаду, утворюючи замкнутий контур для циркуляції теплоносія 8. Система відведення тепла від найбільш теплого каскаду спряжено зі зовнішньою теплообмінною системою 9 для відводу тепла в оточуюче середовище. Система 1 UA 72073 U 5 10 15 20 25 30 35 циркуляції теплоносія найбільш холодного каскаду спряжена зі зовнішньою системою теплообміну 10 для охолодження об'єкту (на Фіг. 1 не показаний). На фіг. 2 представлено варіант проникної термоелектричної батареї, в якій системи циркуляції теплоносія 6 каскадів з'єднані між собою послідовно, а системи відводу тепла 5 від гарячих спаїв каскадів також з'єднані між собою послідовно. Запропонований пристрій працює наступним чином. Проходження електричного струму через кожен каскад термоелектричної батареї відповідного напрямку, внаслідок дії ефекту Пельтьє, призводить до охолодження нижніх частин проникних термоелементів. Теплоносій прокачується по каналах крізь гілки проникних термоелементів в напрямку до холодних частин і внаслідок теплообміну з матеріалом гілки охолоджується. Охолоджений теплоносій подається в систему відводу тепла другого каскаду під охолоджуючі теплі спаї його термоелементів. Це дозволяє другому каскаду працювати при більш низькій температурі його теплих спаїв та відповідно охолодити теплоносій на більш низький рівень температур. Нарощуванням кількості каскадів (на Фіг. 1 представлено варіант 3 каскадної батареї) можна охолодити теплоносій на ще більший рівень температури. Наявність каскадів термоелектричної батареї, крім збільшення глибини охолодження, дозволяє також підвищити термодинамічну ефективність перетворення енергії. Це досягається шляхом використання таких матеріалів для термоелементів, при яких буде максимальним параметр термоелектричної добротності кожного каскаду батареї. Результати попередніх комп'ютерних моделювань та чисельних розрахунків показують, що у випадку використання оптимізованих термоелектричних матеріалів на основі Bi-Te-Se-Sb з 2-3 каскадів значення глибини охолодження збільшується на 5-10 К, а підвищення холодильного коефіцієнту складає 10-15 %. Застосування запропонованої термоелектричної батареї дозволяє розширити межі використання термоелектричних охолоджувачів при збільшенні термодинамічної ефективності перетворення енергії. Джерела інформації: 1. А. с СССР № 144883. Способ повышения КПД термоэлектрического генератора (холодильника). Зорин И.В. Заявлено 24.06.1961, Опубліковано 18.10.1968. 2. UA патент №35363. Термоелектрична батарея. Анатичук Л.І., Черкез Р.Г., Заявлено 29.04.2008, Опубліковано 10.09.2008. 3. Anatychuk L. I., Cherkez R. G. On the Properties of Permeable Thermoelements // Proc. XXII International conference on thermoelectrics (Montpellier, France).-2003. - P. 480-483 4. Каскадные термоэлектрические источники холода / Вайнер А.Л. - М.: Сов. радио, 1976, с. 16, рис.2. 5. Патент RU № 2034207. Способ охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареи. Заявлено 05.11.1992, Опубліковано 30.04.1995. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 1. Термоелектрична батарея на основі проникних термоелементів, гілки яких створюються з проникних термоелектричних матеріалів n- та p-типів провідності, яка відрізняється тим, що батарея складається з груп (каскадів) проникних термоелементів. 2. Термоелектрична батарея за п. 1, яка відрізняється тим, що кожен каскад має теплообмінні системи відводу тепла від спаїв термоелементів та циркуляції теплоносія (рідини або газу). 3. Термоелектрична батарея за п. 2, яка відрізняється тим, що для суміжних каскадів система циркуляції теплоносія та система відводу тепла з'єднані між собою. 4. Термоелектрична батарея за п. 2, яка відрізняється тим, що системи циркуляції теплоносія каскадів з'єднані між собою послідовно, а системи відводу тепла від гарячих спаїв каскадів також з'єднані між собою послідовно. 2 UA 72073 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3