ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР С ВЫСОКИМ ГРАДИЕНТОМ ТЕМПЕРАТУР МЕЖДУ СПАЯМИ

Изобретение относится к области термоэлектричества и может быть использовано в термоэлектрических генераторах.

Известен термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые ветви p- и n-проводимости, соединенные коммутационными шинами с образованием электрической цепочки [1].

Для повышения эффективности термоэлектрическою генератора и уменьшения уровня кондуктивного теплопереноса целесообразно пространственно разместить в различных плоскостях p- и n-ветви, затруднив кондуктивный теплоперенос между ними, снизить электрическое сопротивление полупроводниковых ветвей за счет уменьшения их толщины, подбирать материалы металлических спаев для границы полупроводник -металл индивидуально для входящих и выходящих токов, а также дополнить систему отвода тепла в окружающую среду новыми поверхностями теплообмена.

Цель изобретения - создание высокоэффективного термоэлектрического генератора с высоким градиентом температур.

Это достигается тем, что полупроводниковые ветви p- и n-типа для уменьшения джоулевых потерь выполняются в виде тонких пленок с минимальным сопротивлением протекающему току. Чем меньше толщина пленки по отношению к ее поперечному сечению, тем меньше оказывается сопротивление протекающему току. Для ветвей p- и n-типа толщина пленки будет индивидуальна и будет зависеть от теплофизических свойств материала. В существующих термоэлектрических генераторах высота полупроводниковых ветвей p- и n-типа одинакова [2]. Это ограничение наложено конструкторско-технологическими требованиями в производстве. Однако полупроводниковые ветви p- и n-типа имеют различные сопротивления электрическому току, падение напряжений, теплопроводность и другие параметры, что ограничивает оптимизацию режимов работы термоэлектрического генератора в целом. Размещение полупроводниковых ветвей p- и n-типа на разных уровнях позволяет независимо друг от друга изменять высоту ветвей p- и n-типа. Это позволяет достичь одинаковых падений напряжений и токов в полупроводниковых ветвях различного типа.

В существующих термоэлектрических генераторах горячие и холодные спаи изготавливаются из одного металла [2]. Однако между спаем и полупроводником при протекании тока возникают термоэлектрические явления с выделением или поглощением тепла. В зависимости от энергии электронов в металле и полупроводниках p- и n-типа, а также направления движения электронов меняется режим преобразования разности температур в ток. Электроны в различных металлах могут обладать большей или меньшей энергией по сравнению с энергией электронов в полупроводниках p- и n-типа [3].

Металлические спаи для контакта с полупроводником целесообразно подбирать таким образом, чтобы при разности температур между металлом и полупроводником получать максимальный ток от эффекта Зеебека за счет того, что в металле электроны имели меньшую энергию, чем в полупроводнике. А на втором спае выбирается металл с энергией электронов, большей, чем в полупроводнике, поэтому результат будет аналогичным. Таким образом, рациональный выбор материалов для металлических спаев с учетом контактных явлений между металлом и полупроводником позволяет получить большую величину тока (эффект Зеебека) в обоих случаях. Чем больше разница энергий электронов в металлических спаях, тем больше будет эффект на обоих спаях и меньше паразитный кондуктивный теплоперенос.

Так как металлические спаи контактируют с полупроводниковыми ветвями p- и n-типа, то обеспечить одновременно оптимальные условия для термоэффекта для обоих типов ветвей невозможно. Но в этом нет необходимости при использовании конструкции термоэлектрического генератора с топологически раздельным размещением в пространстве на разных уровнях ветвей p- и n-типа. Достаточно полупроводниковые ветви p-типа расположить на значительном расстоянии от объектов охлаждения и нагревания (уменьшив паразитный кондуктивный теплоперенос обратно к объекту охлаждения) и обеспечить отвод тепла не только с одной внешней поверхности ветвей p-типа, но и с противоположной внутренней стороны этих ветвей p-типа. Также можно осуществить отвод тепла с внутренней стороны охлаждающих полупроводниковых ветвей n-типа и с соединительных металлических проводников, которые могут быть выполнены в виде плоских пластин. В этом случае, по сравнению с традиционными схемами термоэлектрических генераторов, увеличивается поверхность отвода тепла как минимум в три раза. Помимо одной внешней поверхности ветвей p-типа добавляются внутренние поверхности ветвей p- и n-типа, а также эффективная поверхность соединительных металлических проводников.

На фиг. 1 представлена структура термоэлектрического генератора с высоким градиентом температур.

Структура термоэлектрического генератора представляет собой тонкопленочные полупроводниковые ветви p-типа (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18) и n-типа (1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17), расположенные в разных плоскостях, таким образом, что при подаче разности температур на горячие и холодные спаи начнется генерация тока, причем помимо основной схемы генерации тока между полупроводниками p- и n-типа дополнительный эффект будет получен при генерации тока в местах контакта полупроводников p- и n-типа и спаев, состоящих из разнородных металлов, причем энергия электронов в металлах должна быть больше или меньше, в зависимости от типа полупроводника (p и n) и от направления движения электронов (из металла в полупроводник или наоборот). Подвод тепла к полупроводниковому термоэлектрическому генератору осуществляется со стороны верхнего спая (Q₁ - подводимое тепло). Отвод тепла можно интенсифицировать за счет обдува вентилятором нижних спаев и обдува внутренних спаев и проводников (Q₂ - отводимое тепло). Соединительные проводники между полупроводниками p- и n-типа должны беспрепятственно пропускать ток и быть такой длины, чтобы практически прекратить кондуктивный теплоперенос между горячими и холодными спаями термоэлектрического генератора. В случае необходимости их можно изготовить в виде гибких электрически изолированных металлических проводников для того, чтобы произвольным образом изменять расстояние и расположение в пространстве тепловыделяющих и теплопоглощающих поверхностей.

Использование представленного устройства позволит создать более эффективные термоэлектрические генераторы за счет уменьшения кондуктивных паразитных потерь между горячими и холодными спаями, уменьшением паразитных джоулевых тепловыделений и использованием контактных явлений между металлическими спаями и полупроводниковыми ветвями.

Литература

1. Термоэлектрический модуль: пат. 2425298 Рос. Федерация: МПК F25B 21/02, H01L 35/32 / Сидоренко Н.А., Гришин В.И. - Заявл. 22.03.2010, опубл. 27.07.2011.

2. Исмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. - СПб.: Политехника, 2005.

3. Анатычук Л.И. Термоэлектричество Т2. - Киев: Букрек, 2003. - 386 с.