Термоелемент

Реферат: Термоелемент на основі гілок з термоелектричних матеріалів n- та p-типів провідності з каналами (порами). Проникні гілки термоелемента утворені послідовно з'єднаними сегментами (секціями) термоелектричних матеріалів з різними властивостями. UA 76363 U (12) UA 76363 U UA 76363 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв, що призначені для створення термоелектричних генераторів (охолоджувачів), які використовують потоки газів або рідин як джерел (стоків) теплової енергії та застосовуються в генераторній, холодильній техніці, електроніці та приладобудуванні. Відомі пристрої, що містять гілки n- і p-типів провідності з відповідних термоелектричних матеріалів, які мають канали (пори) для прокачування теплоносія [1]. Це дозволяє покращити інтенсивність теплообміну між теплоносієм і матеріалом гілок термоелемента [2], завдяки чому підвищується ефективність перетворення енергії [3]. Однак, сучасні термоелектричні матеріали характеризуються тим, що параметр добротності, який є визначальним для ефективності перетворення енергії, має максимальне значення в досить вузькому діапазоні температур. В більшості випадків практичних застосувань, наявні температурні діапазони роботи більше зазначеного. Тому, робота термоелемента в практичних умовах відбувається при невисоких значеннях ефективності перетворення енергії. З існуючих аналогів найбільш близьким за технологічною суттю є термоелемент [4]. Він також складається з гілок p- і n-типів провідності з відповідних матеріалів, з'єднаних комутаційною пластиною. В такому термоелементі, для підвищення добротності, гілки складаються з секцій (сегментів) різних матеріалів. Кожен з яких підбирають оптимізованим для свого робочого діапазону температур. Це дозволяє підвищити загальну добротність термоелемента. Але його практичне використання не дає достатнього значення ефективності перетворення енергії [5]. Тому актуальною є задача створення термоелемента з покращеною ефективністю перетворення енергії, який може працювати в більшому температурному діапазоні. Зазначена задача вирішується тим, що запропоновано проникний сегментний термоелемент, на основі гілок з термоелектричних матеріалів p- і n-типів провідності з каналами або порами для пропускання теплоносія; проникні гілки термоелемента утворені послідовно з'єднаними сегментами (секціями) термоелектричних матеріалів з різними властивостями; сегментами (секціями) термоелектричного матеріалу гілки та комутаційні пластини утворюють наскрізну систему каналів; внутрішня поверхня каналів гілок покрита тонким шаром високотеплопровідного діелектрика. 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 проникного термоелемента, на основі гілок з термоелектричних матеріалів p- і n-типів провідності з каналами або порами для пропускання теплоносія; проникні гілки термоелемента утворені послідовно з'єднаними сегментами (секціями) термоелектричних матеріалів з різними властивостями; сегментами (секціями) термоелектричного матеріалу гілки та комутаційні пластини утворюють наскрізну систему каналів; внутрішня поверхня каналів гілок покрита тонким шаром високотеплопровідного діелектрика Тому сукупність ознак, яка не зустрічається ні в одному з аналогів та прототипів - проникний сегментний термоелемент, на основі гілок з термоелектричних матеріалів p- і n-типів провідності з каналами або порами для пропускання теплоносія; проникні гілки термоелемента утворені послідовно з'єднаними сегментами (секціями) термоелектричних матеріалів з різними властивостями; сегментами (секціями) термоелектричного матеріалу гілки та комутаційні пластини утворюють наскрізну систему каналів; внутрішня поверхня каналів гілок покрита тонким шаром високотеплопровідного діелектрика - забезпечує заявленому пристрою необхідний "винахідницький рівень". Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах електронного та приладобудівного напрямків. Термоелемент складається (кресл.) з гілок p- і n-типів провідності з сегментами (секціями) напівпровідникових термоелектричних матеріалів на основі Bi-Te-Se-Sb; з'єднаних послідовно (для прикладу на кресленні вітка n-типу провідності з сегментів 3,5,6,7 а вітка p-типу провідності з сегментів 11,12,13) комутаційними пластинами 1, 8, 9 таким чином, щоб вони утворювали наскрізну систему каналів для пропускання теплоносія 4. З'єднання сегментів гілок термоелемента реалізується здебільшого спаюванням внаслідок чого утворюються комутаційні шари 2, 10. Бічні поверхні каналів гілок покриті шаром високотеплопровідного діелектрика 14. Запропонований пристрій працює наступним чином. В режимі генерації електричної енергії гарячий теплоносій 4 пропускається через термоелемент, по системі наскрізних каналів в комутаційних пластинах 2, сегментів (секцій) 3,5,6,7 гілки n-типу провідності та сегментів (секцій) 1 UA 76363 U 5 10 15 20 25 30 35 11,12,13 гілки p-типу провідності, розігріваючи їх і створюючі перепад температури на термоелементі. В результаті встановлення перепаду температури на термоелементі та під дією ефекту Зеєбека виникає електрорушійна сила, яка створює різницю потенціалів між комутаційними пластинами 2 та 10. Наявність сегментів (секцій) різних матеріалів дозволяє збільшити перепад температури на термоелементі. Це, разом з наявністю інтенсивного теплообміну з об'ємом матеріалу гілки призводить до більшого використання і перетворення теплової енергії теплоносія в електричну енергію. Внаслідок чого підвищується ККД перетворення енергії та (або) питома електрична потужність. В режимі охолодження термоелемент працює наступним чином. Проходження електричного струму відповідного напрямку внаслідок дії ефекту Пельтьє призводить до охолодження верхніх та нагріву нижніх частин гілок. Теплоносій прокачується по каналах крізь гілки термоелемента в напрямку від теплих до холодних спаїв і внаслідок теплообміну з матеріалом гілки поступово охолоджується. Наявність сегментів (секцій) дозволяє розширити перепад температур на термоелементі та дає можливість підібрати оптимальний матеріал гілок. Це, разом з наявністю інтенсивного теплообміну в об'ємі гілки термоелемента, призводить до збільшення глибини охолодження та (або) підвищення холодильного коефіцієнта. Результати попередніх комп'ютерних моделювань та чисельних розрахунків показують, що у випадку використання оптимізованих термоелектричних матеріалів на основі Bi-Te-Se-Sb з кількістю сегментів 3 та 5 значення ККД підвищується на 20 % та 24 % відповідно. В режимі охолодження розрахунки показують, що використання 3 та 5 сегментів в гілках проникного термоелемента дає підвищення холодильного коефіцієнта на 25 % та 30 % відповідно, а максимальний перепад температур ДТ збільшується на 4-7 К. Застосування запропонованого термоелемента дозволяє значно розширити межі їх використання при збільшенні 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. А.с СССР № 162578. Способ повышения КПД термоэлектрического генератора. Зорин И.В. Заявлено 02.04.1962, Опубліковано 08.05.1964. 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. Пат. 3051767 США МКІ Н 01 L 37/00 Thermoelectric devices and thermoelements / Fredrick R.E., Lake W.B., Fritts R.W. (США); Minnesota Mining and Manufacturing Company. -№775529; Заявлено 21.11.1958, Опубліковано 28.08.1962. 5. Snyder G.J. Application of the compatibility factor to the design of segmented and cascaded thermoelectric generators // Appl.Phys.Letters.-84. -N13.-2004. - P.2436-2438. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 1. Термоелемент на основі гілок з термоелектричних матеріалів n- та p-типів провідності з каналами (порами), який відрізняється тим, що проникні гілки термоелемента утворені послідовно з'єднаними сегментами (секціями) термоелектричних матеріалів з різними властивостями. 2. Термоелемент за п. 1, який відрізняється тим, що сегментами (секціями) термоелектричного матеріалу гілки та комутаційні пластини утворюють наскрізну систему каналів. 3. Термоелемент за п. 2, який відрізняється тим, що внутрішня поверхня каналів гілок покрита тонким шаром високотеплопровідного діелектрика. 2 UA 76363 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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