ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ
THERMOELECTRIC BATTERY

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ).
Прототипом изобретения является ТЭБ, описанная в [1]. ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем ветви р-типа и n-типа контактируют торцевыми поверхностями соответственно с двумя противоположными поверхностями коммутационной пластины. Коммутационные пластины имеют несколько большую площадь, чем площадь поперечного сечения ветвей, вследствие чего они выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ.
Недостатком известной конструкции является необходимость использования коммутационных пластин относительно большой толщины для эффективной теплоотдачи от них к объектам охлаждения (нагрева), что приводит к увеличению теплового и электрического сопротивления контакта.
Целью изобретения является повышение эффективности теплоотдачи коммутационных пластин ТЭБ к объекту охлаждения и системе теплоотвода.
Для достижения указанной цели ветви расположены наклонно в одной из координатных плоскостей, причем ветви, выполненные из полупроводника р-типа расположены под углом, противоположным углу наклона ветвей, выполненных из полупроводника n-типа, а угол наклона между ветвями α лежит в пределах - . При этом коммутационные пластины выполнены в форме трехгранной призмы с одним двугранным углом и впаиваются в пространство, ограниченное концами ветвей р- и n-типов. Причем оставшаяся третья грань коммутационных пластин свободной поверхностью приведена в тепловой контакт с полыми электроизолированными снаружи гибкими трубками, при необходимости имеющими внутреннее оребрение и заправленными теплоносителем. Своими свободными концами гибкие трубки сопрягаются с охлаждаемым и нагреваемым объектами.
Конструкция ТЭБ приведена на чертеже. ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин 1 и 2 чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р- 3 и n-типов 4. Электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь р- типа 3 - коммутационная пластина 1 или 2 - ветвь n-типа 4. При этом ветви 3 и 4 выполнены наклонными в одной из координатных плоскостей. Причем ветви 4 расположены под углом, противоположным углу наклона ветвей 3, а угол наклона между ветвями α лежит в пределах - . Коммутационные пластины 1 и 2 выполнены в форме трехгранной призмы с одним двугранным углом, равным α, и впаиваются в пространство, ограниченное концами ветвей р- 3 и n-типов 4. Причем оставшаяся третья грань коммутационных пластин свободной поверхностью приведена в тепловой контакт с полыми электроизолированными снаружи гибкими трубками 5 и 6, при необходимости имеющими внутреннее оребрение и заправленными теплоносителем 7. Своими свободными концами гибкие трубки 5 и 6 сопрягаются с охлаждаемым и нагреваемым объектами.
ТЭБ функционирует следующим образом.
При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии через крайние коммутационные пластины ТЭБ, между соседними коммутационными пластинами 1 и 2, представляющими собой контакты ветвей р- и n-типа 3 и 4, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на чертеже полярности имеет место нагрев коммутационных пластин 1 и охлаждение коммутационных пластин 2.
При повышении температуры коммутационных пластин 1 с их поверхности происходит интенсивный отвод теплоты за счет кипения и испарения теплоносителя 7. Образующийся пар поднимается в верхнюю часть трубок 5, где обменивается теплом с окружающей средой, либо с теплообменником (не показан). Вследствие подобного теплообмена пар конденсируется в верхней части трубок 5, образовавшийся конденсат стекает вниз и поступает в нагреваемый участок. Отвод теплоты от «горячих» коммутационных пластин 1, таким образом, осуществляется за счет кипения и испарения теплоносителя 6.
При тепловом контакте трубок 6 с объектом охлаждения (не показан) происходит их нагрев и, соответственно, кипение, и испарение теплоносителя 7. Образовавшийся пар перемещается в верхнюю часть трубок 6. В верхней части трубок 6 происходит конденсация теплоносителя 6 вследствие теплообмена с «холодными» коммутационными пластинами 2. Далее происходит отекание теплоносителя 7 вниз - в нагреваемую зону. Интенсивный отвод теплоты от объекта охлаждения в данном случае обеспечивается за счет высокого коэффициента теплоотдачи при испарении и конденсации теплоносителя 7.
В данной конструкции ТЭБ эффективность теплоотдачи коммутационных пластин повышается за счет увеличения их теплоотдающей поверхности.
Кроме того, предложенное исполнение ТЭБ позволит осуществлять механическую развязку источника тепла и системы теплосброса и контакт с охлаждаемыми (нагреваемыми) объектами, находящимися в труднодоступных и отдаленных местах за счет специальной конструкции коммутационных элементов (протяженности и гибкости).
Литература
1. Поздняков Б.С., Коптелов Е.А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974.