RU2575614C2 - Thermoelectric generator with high gradient of temperatures between soldered joints - Google Patents
Thermoelectric generator with high gradient of temperatures between soldered joints Download PDFInfo
- Publication number
- RU2575614C2 RU2575614C2 RU2014101069/28A RU2014101069A RU2575614C2 RU 2575614 C2 RU2575614 C2 RU 2575614C2 RU 2014101069/28 A RU2014101069/28 A RU 2014101069/28A RU 2014101069 A RU2014101069 A RU 2014101069A RU 2575614 C2 RU2575614 C2 RU 2575614C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- branches
- semiconductor
- type
- metal
- junctions
- Prior art date
Links
- 210000001503 Joints Anatomy 0.000 title abstract 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 35
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 2
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000005619 thermoelectricity Effects 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002730 additional Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области термоэлектричества и может быть использовано в термоэлектрических генераторах.The invention relates to the field of thermoelectricity and can be used in thermoelectric generators.
Известен термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые ветви p- и n-проводимости, соединенные коммутационными шинами с образованием электрической цепочки [1].Known thermoelectric module containing semiconductor branches of p- and n-conductivity, connected by switching buses with the formation of an electrical circuit [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.To increase the efficiency of the thermoelectric generator and reduce the level of conductive heat transfer, it is advisable to spatially place p- and n-branches in different planes, making it difficult to conduct heat transfer between them, reduce the electrical resistance of semiconductor branches by reducing their thickness, select materials for metal junctions for the semiconductor-metal boundary individually for incoming and outgoing currents, as well as to supplement the system of heat removal to the environment with new heat exchange surfaces .
Цель изобретения - создание высокоэффективного термоэлектрического генератора с высоким градиентом температур.The purpose of the invention is the creation of a highly efficient thermoelectric generator with a high temperature gradient.
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.This is achieved by the fact that p- and n-type semiconductor branches, in order to reduce Joule losses, are made in the form of thin films with minimal resistance to the flowing current. The smaller the film thickness with respect to its cross section, the less is the resistance to the flowing current. For p- and n-type branches, the film thickness will be individual and will depend on the thermophysical properties of the material. In existing thermoelectric generators, the height of p- and n-type semiconductor branches is the same [2]. This limitation is imposed by design and technological requirements in production. However, p- and n-type semiconductor branches have different resistance to electric current, voltage drop, thermal conductivity and other parameters, which limits the optimization of the operating conditions of the thermoelectric generator as a whole. The placement of semiconductor branches of p- and n-type at different levels allows you to independently change the height of the branches of p- and n-type. This allows you to achieve the same voltage drops and currents in semiconductor branches of various types.
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].In existing thermoelectric generators, hot and cold junctions are made of one metal [2]. However, between the junction and the semiconductor when current flows, thermoelectric phenomena occur with the release or absorption of heat. Depending on the electron energy in the metal and p-type and n-type semiconductors, as well as the direction of electron motion, the mode of converting the temperature difference into current changes. Electrons in various metals can have more or less energy compared to the energy of electrons in p- and n-type semiconductors [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.It is advisable to select metal junctions for contact with the semiconductor in such a way that, at a temperature difference between the metal and the semiconductor, the maximum current from the Seebeck effect is obtained due to the fact that the electrons in the metal have lower energy than in the semiconductor. And at the second joint, a metal with an electron energy greater than that in the semiconductor is selected, so the result will be similar. Thus, a rational choice of materials for metal junctions, taking into account the contact phenomena between the metal and the semiconductor, allows us to obtain a large current value (Seebeck effect) in both cases. The greater the difference in electron energies in metal junctions, the greater the effect on both junctions and the less stray conductive heat transfer.
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.Since metal junctions are in contact with p- and n-type semiconductor branches, it is impossible to simultaneously provide optimal conditions for the thermal effect for both types of branches. But this is not necessary when using the design of a thermoelectric generator with topologically separate placement in space at different levels of p- and n-type branches. It is enough to arrange p-type semiconductor branches at a considerable distance from the objects of cooling and heating (by reducing spurious conductive heat transfer back to the cooling object) and to ensure heat removal not only from one external surface of the p-type branches, but also from the opposite inner side of these p- branches type. It is also possible to carry out heat removal from the inside of the cooling n-type semiconductor branches and from the connecting metal conductors, which can be made in the form of flat plates. In this case, in comparison with traditional schemes of thermoelectric generators, the surface of heat removal increases at least three times. In addition to one external surface of p-type branches, internal surfaces of p- and n-type branches are added, as well as the effective surface of the connecting metal conductors.
На фиг. 1 представлена структура термоэлектрического генератора с высоким градиентом температур.In FIG. 1 shows the structure of a thermoelectric generator with a high temperature gradient.
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.The structure of the thermoelectric generator is a thin-film semiconductor branch of p-type (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18) and n-type (1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 17) located in different planes so that when a temperature difference is applied to the hot and cold junctions, current generation will begin, and in addition to the main current generation circuit between p- and n-type semiconductors, an additional effect will be obtained when current is generated at the contact p- and n-type semiconductors and junctions consisting of dissimilar metals, and the electron energy in meta Allah should be more or less, depending on the type of semiconductor (p and n) and on the direction of electron motion (from metal to semiconductor or vice versa). Heat is supplied to the semiconductor thermoelectric generator from the side of the upper junction (Q 1 - input heat). Heat removal can be intensified by fan blowing of the lower junctions and air blowing of the internal junctions and conductors (Q 2 is the heat removed). The connecting conductors between p- and n-type semiconductors must freely pass current and be of such a length that the conductive heat transfer between the hot and cold junctions of the thermoelectric generator practically ceases. If necessary, they can be made in the form of flexible electrically insulated metal conductors in order to arbitrarily change the distance and location in space of heat-generating and heat-absorbing surfaces.
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.Using the presented device will allow you to create more efficient thermoelectric generators by reducing the conductive spurious losses between hot and cold junctions, reducing spurious joule heat and using contact phenomena between metal junctions and semiconductor branches.
ЛитератураLiterature
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. 27.07.2011.1. Thermoelectric module: US Pat. 2425298 Ros. Federation: IPC F25B 21/02, H01L 35/32 / Sidorenko N.A., Grishin V.I. - Declared. 03/22/2010, publ. 07/27/2011.
2. Исмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. - СПб.: Политехника, 2005.2. Ismailov T.A. Thermoelectric semiconductor devices and heat transfer intensifiers. - St. Petersburg: Polytechnic, 2005.
3. Анатычук Л.И. Термоэлектричество Т2. - Киев: Букрек, 2003. - 386 с.3. Anatychuk L.I. Thermoelectricity T2. - Kiev: Bukrek, 2003 .-- 386 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014101069/28A RU2575614C2 (en) | 2014-01-14 | Thermoelectric generator with high gradient of temperatures between soldered joints |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014101069/28A RU2575614C2 (en) | 2014-01-14 | Thermoelectric generator with high gradient of temperatures between soldered joints |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014101069A RU2014101069A (en) | 2015-07-20 |
RU2575614C2 true RU2575614C2 (en) | 2016-02-20 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1980001438A1 (en) * | 1979-01-02 | 1980-07-10 | E Gomez | Energy production and storage apparatus |
WO1991011029A1 (en) * | 1990-01-16 | 1991-07-25 | Blagden Power Generation Limited | Thermo-electric power generators |
RU2131156C1 (en) * | 1998-04-20 | 1999-05-27 | Косарев Александр Владимирович | Thermoelectric converter |
RU2335825C1 (en) * | 2007-04-25 | 2008-10-10 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Thermoelectric device with high temperature gradient |
CN202134576U (en) * | 2011-05-27 | 2012-02-01 | 武汉华利泰复合半导体技术有限公司 | Horizontal multi-level thermo-parallel thermoelectric converter |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1980001438A1 (en) * | 1979-01-02 | 1980-07-10 | E Gomez | Energy production and storage apparatus |
WO1991011029A1 (en) * | 1990-01-16 | 1991-07-25 | Blagden Power Generation Limited | Thermo-electric power generators |
RU2131156C1 (en) * | 1998-04-20 | 1999-05-27 | Косарев Александр Владимирович | Thermoelectric converter |
RU2335825C1 (en) * | 2007-04-25 | 2008-10-10 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Thermoelectric device with high temperature gradient |
CN202134576U (en) * | 2011-05-27 | 2012-02-01 | 武汉华利泰复合半导体技术有限公司 | Horizontal multi-level thermo-parallel thermoelectric converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Chen et al. | The influence of Thomson effect on the maximum power output and maximum efficiency of a thermoelectric generator | |
Lee | The Thomson effect and the ideal equation on thermoelectric coolers | |
RU2011104079A (en) | SEPARATE THERMOELECTRIC STRUCTURE, DEVICES AND SYSTEMS IN WHICH THIS STRUCTURE IS USED | |
US8143510B2 (en) | Thermoelectric composite semiconductor | |
CN104810466A (en) | Thermoelectric module and heat conversion device including the same | |
CN101859867A (en) | Thermoelectric element | |
JP2006507690A5 (en) | ||
Karami et al. | New modeling approach and validation of a thermoelectric generator | |
Palaniappan et al. | Finite element analysis of thermoelectric refrigeration system | |
AU2018220031A1 (en) | Thermoelectric device | |
Meng et al. | Simulation of a thermoelectric module having parallelogram elements | |
RU2575614C2 (en) | Thermoelectric generator with high gradient of temperatures between soldered joints | |
RU2604180C1 (en) | Thermoelectric energy converter | |
CN103794581A (en) | Thermoelectricity radiating device | |
CN207009456U (en) | A kind of novel photovoltaic thermo-electric generation integrated chip | |
KR101046130B1 (en) | Thermoelectric element | |
Manikandan et al. | Thermodynamic modelling and analysis of thermoelectric cooling system | |
Bulman et al. | High heat flux, high temperature cooling of electronics with thermoelectric devices | |
RU2575618C2 (en) | Thermoelectric device with thin-film solid-state branches and increased heat removal surface | |
US20180226559A1 (en) | Thermoelectric conversion device | |
RU207206U1 (en) | THERMOELECTRIC MODULE | |
TWI744717B (en) | Thermoelectric power generating device and manufacturing method thereof | |
RU137156U1 (en) | DEVICE FOR COOLING THE FUEL EQUIPMENT | |
Chavan et al. | Compact design of thermoelectric cooler and its performance analysis | |
CN102263529A (en) | Thermoelectric conversion module |