(54) ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Область техники.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам. Изобретение может найти применение в нагревательных и охлаждающих устройствах, в оборудовании для кондиционирования воздуха, в измерительной и медицинской технике. Термоэлектрический модуль может быть применен для создания термоэлектрического генератора.

Предшествующий уровень техники.

В технике известны термоэлектрические устройства (например, описанные в патентах SU 1179045, US 20110258995, JP 7-307493, WO 1988005964, JP2007184416, US20120049315, JP 2001185768, RU 85756, JP 9321349, US 5584183, JP 2002232027, JP 2006049872, JP 2002353524) в основе функционирования которых лежит использование известных термоэлектрических физических явлений (эффектов), обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. К термоэлектрическим явлениям относятся эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона. Эффект Пельтье является основой термоэлектрического охлаждения. Эффект Зеебека лежит в основе конструирования термоэлектрических генераторов. Термоэлектрические материалы могут преобразовывать электрическую энергию в термическую энергию (эффект Пельтье). Термоэлектрические материалы могут преобразовывать термическую энергию в электрическую энергию (эффект Зеебека).

Классическая конструкция термоэлектрического модуля (фиг.1) с использованием полупроводников с п и р типом проводимости предложена академиком А.Ф. Иоффе в 1929 г. (источник [1]: Иоффе А.Ф., Физика полупроводников, Изд. АН СССР, Москва, Ленинград, 1957 г.). Принципиальная схема конструирования термоэлектрических модулей до настоящего времени остается неизменной. Классический термоэлектрический модуль состоит из цепи (ряд, набор) термоэлектрических элементов поз.1 (фиг.1), образованных электрически связанными полупроводниками п и р типа поз.2,3 (фиг.1). Один термоэлектрический элемент содержит полупроводник п типа и полупроводник р типа, которые имеют электрическое соединение (спай, металлический мостик) 4,5 (фиг.1) с одних концов, а крайние полупроводники 10,11 свободными концами 8,9 2

(фиг.1) (фиг.1) подключены к токопроводам, то есть к положительному 12 (фиг.1) и отрицательному 13 (фиг.1) электродам. Полупроводники 2,3 расположены в ряд с заданным промежутком 14 (фиг.1) между ними. Такое соединение полупроводников п и р типа образует термопару, которая способна нагреваться или охлаждаться при протекании через нее электрического тока, в зависимости от его направления. При нагреве термопары на ее свободных концах возникает электрический потенциал, между концами полупроводников п и р типа образуется потенциал электрического напряжения. Термоэлектрические элементы, соединенные в цепь, подключают последовательно, так что электрический выход одного полупроводника связан с электрическим входом другого, при этом электрический вход начального крайнего полупроводника подключен к одному токопроводу (например положительному электроду), а электрический выход конечного крайнего полупроводника подключен к другому токопроводу (например отрицательному электроду). При протекании электрического тока заданного направления в цепи термоэлектрических элементов одни места электрического соединения полупроводников нагреваются, другие охлаждаются. При изменении направления электрического тока, места электрического соединения, которые ранее нагревались, начинают охлаждаться и наоборот. Для того чтобы отводить тепло/холод от мест электрического соединения полупроводников, места электрического соединения полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно располагают в одной плоскости, места электрического соединения полупроводников которые охлаждаются при данном направлении электрического тока располагают в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны. Все места соединения полупроводников при этом имеют тепловой контакт с теплопроводом 6,7 (фиг.1). Теплопровод при данном направлении протекания электрического тока по цепи может охлаждаться или нагреваться. Все места электрического соединения полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока имеют тепловой контакт с нагревателем (например, выполненным в виде керамической пластины). Все места электрического соединения полупроводников которые охлаждается при данном направлении электрического тока имеют тепловой контакт с охладителем (например, выполненным в виде керамической пластины). В результате при работе термоэлектрического модуля возникает перепад температуры, присутствует градиент температуры от поверхности 3

первого (нагретого) теплопровода, через первые (нагретые) места соединения полупроводников, тела полупроводников, через вторые (холодные) места соединения полупроводников, до поверхности второго (холодного) теплопровода. Термоэлектрический элемент термоэлектрического модуля состоит из полупроводниковых стержней (из материалов с проводимостью п и р типа), концы которых соединены электропроводным и теплопроводным мостиком (как правило металлическим), теплопроводы выполняют из керамических пластин. При этом в материалах полупроводников, теплопроводов, местах соединения полупроводников возникают температурные изменения геометрических размеров (тепловое расширение). Чтобы получить усталостно прочный термоэлектрический модуль, тепловые расширения внутри термоэлектрического модуля должны компенсироваться. Конструкция термоэлектрического модуля не должна разрушаться от собственного теплового воздействия.

Известно устройство термоэлектрического элемента (источник [2]: патент RU 2654376). Содержит левый полупроводниковый стержень из материала п проводимости, например, висмута, правый полупроводниковый стержень из материала р проводимости, например сурьмы. Верхние части полупроводниковых стержней электрически соединены, имеют электрический и тепловой контакт с медной пластиной нагревателя. Нижние части полупроводниковых стержней имеют электрический и тепловой контакт с медными токосьемниками (электродами) охладителя. При работе присутствует градиент температуры. Места контакта полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно расположены в одной плоскости, места контакта полупроводников которые расположены в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны и имеют тепловой контакт с медными пластинами нагревателя и охладителя.

Известно термоэлектрическое устройство (источник [3]: патент RU 2173007. Конвенционный приоритет: 25.08.1997 JP 9-228094, Публикация РСТ: WO 99/10937). Множество термоэлектрических полупроводников п- и р-типа регулярно расположены (образуют цепь) таким образом, что обе их торцевые грани образуют расположенные приблизительно на одном уровне торцевые поверхности межсоединения (места соединения) и соединены вместе через изоляцию. Электроды межсоединения для попеременного электрического соединения термоэлектрических полупроводников п- и p-типа образованы на обеих торцевых поверхностях межсоединения. Пара соединительных электродов образована для электрического соединения с термоэлектрическими полупроводниками, соответствующими одному концу и другому концу множества термоэлектрических полупроводников. Одна из торцевых поверхностей межсоединения блока термоэлектрических элементов вставлена в отверстие гибкой печатной схемы и затем прикреплена к верхней грани пластины теплопроводности через изоляционный слой. Пара соединительных электродов электрически соединена с парой входной/выходной электродов, образованной на гибкой печатной схеме. Места соединения полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно расположены в одной плоскости, места соединения полупроводников которые расположены в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны и имеют тепловой контакт с нагревателем или с охладителем.

Известна конструкция классического термоэлектрического устройства (источник [4]: патент Японии 58-64075). В данном аналоге термоэлектрические полупроводники двух различных типов проводимости, p-типа и n-типа, образуют термоэлектрические элементы (термопара), которые размещены последовательно таким образом, что множество полупроводников сведено в двумерное расположение, и каждый термоэлектрический элемент электрически соединен с другим последовательно через пластины электродов. Верхняя поверхность и нижняя поверхность электродов являются гранями, на которых расположены соответственно "горячие" спаи и "холодные" спаи полупроводников. Спаи это места электрического и теплового соединения полупроводников.

Известна конструкция элемента Пельтье или элемента Зеебека (источник [5]: патент Японии JP4850070, патентная заявка US20090007952). Конструкция состоит из набора термоэлектрических элементов образованных электрически связанными полупроводниками п и р типов. Полупроводники последовательно электрически соединены и одни соединения полупроводников имеют тепловой контакт с нагревателем, а другие соединения с охладителем. Термоэлектрический элемент термоэлектрического модуля состоит из полупроводниковых кристаллов двух типов с проводимостью п и р типа, концы которых электрически соединены металлическим мостиком (место электрического и теплового соединения), свободные концы полупроводниковых кристаллов соединены с электродами. Металлические мостики которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно расположены в одной плоскости, металлические мостики которые охлаждаются при данном направлении электрического тока расположены в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны и имеют тепловой контакт соответственно с нагревателем или с охладителем.

Известен термоэлектрический охлаждающий модуль (источник [6]: патент RU 2117362, опубликован 10.08.1998). Это классическая конструкция термоэлектрического модуля. Модуль содержит полупроводниковые ветви п- и р- типов проводимости, соединенные коммутационными шинами. Каждая коммутационная шина, расположенная по крайне мере на одной теплообменной (теплопроводной) пластине, присоединена к ней посредством теплоконтактного соединения, выполненного в виде слоя, изготовленного из упругого клеевого компаунда. Данное конструктивное решение позволяет скомпенсировать механические напряжения возникающие в следствие теплового расширения/сжатия, обеспечивается свободная деформация коммутационной шины (токопровода) в слое компаунда. Места электрического соединения полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно расположены в одной плоскости, места электрического соединения полупроводников которые охлаждаются расположены в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны и имеют тепловой контакт с нагревателем или с охладителем. Данное техническое решение не позволяет существенно увеличить ресурс устройства из-за температурной деструкции компаунда при длительном термоциклировании в процессе эксплуатации изделия.

Известен термоэлектрический модуль со средствами компенсации теплового расширения (источник [7]: патент RU 2575942). Термоэлектрический модуль имеет множество термоэлектрических элементов, которые расположены между горячей пластиной и холодной пластиной. Термоэлектрические элементы содержат, два полупроводниковых элемента, которые легированы примесью р- типа и n-типа и электрически связаны. Эти два полупроводниковых элемента на своей верхней и нижней стороне (обращенной к горячей стороне или же холодной стороне) взаимно снабжены электропроводными перемычками, так что легированные соответственно примесью n-типа и p-типа полупроводниковые элементы соединены между собой. Электропроводные перемычки электрически изолируются от корпуса вмещающего термоэлектрические элементы. В 6

термоэлектрическом модуле, многочисленные полупроводниковые элементы включены последовательно. Чтобы сгенерированная разность потенциалов последовательных полупроводниковых элементов взаимно не уничтожалась, всегда попеременно полупроводниковые элементы с разными основными носителями заряда (легированные примесью n-типа и p-типа) приведены в прямой электрический контакт. Конструктивно термоэлектрический модуль, содержит внешнюю трубку (холодная пластина) и внутреннюю трубку (горячая пластина), между которыми имеется пространство, в котором расположена первая полоса из металлического листа и вторая полоса из металлического листа. Первая полоса из металлического листа одним концом соединены с внутренней трубкой. Вторая полоса из металлического листа одним из своих концов соединена с внешней трубкой. Полосы образуют перекрытие, в области которого расположена по меньшей мере одна пара полупроводниковых элементов легированных примесью n-типа и p-типа. Перемычки (места электрического соединения) полупроводников которые нагреваются при данном направлении электрического тока пространственно расположены в одной плоскости, перемычки полупроводников которые расположены в другой плоскости, так что эти плоскости параллельны и имеют тепловой контакт с нагревателем или с охладителем.

Известен термоэлектрический модуль (источник [8]: Термоэлектрические охладители для промышленного применения компании Криотерм (Thermoelectric coolers for industrial applications. Kryotherm), интернет сайт http://krvothermtec.com. Режим доступа: http://krvothermtec.com/thermoelectric-coolers-for-industria l- applications.html). Термоэлектрический модуль имеет множество термопар (термоэлектрических элементов), которые расположены между горячей пластиной и холодной пластиной. Термопары содержат, два полупроводниковых элемента, которые легированы примесью p-типа и n-типа и электрически связаны. Термопары, состоящие из двух разнородных элементов с р- и п-типом проводимости соединены между собой при помощи коммутационных пластин из меди и заключены между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия, через которые с одной стороны подводится, а с другой отводится тепло. Тепловой поток в устройстве прерывается слоем изолятора (керамические пластины), теплопроводность которого меньше теплопроводности проводников электричества. Тепловой барьер препятствует эффективной передаче тепла. Конструкция термоэлектрического модуля описанная в аналогах (от 1 до 8) не позволяет развивать большие мощности при получения холода, так как подвержена разрушению в местах электрического и теплового соединения полупроводников (спаи, перемычки) в результате теплового расширения/сжатия материалов. Это обусловлено тем, что все перемычки (места электрического и теплового соединения) между полупроводниками, которые нагреваются при данном направлении электрического тока, пространственно расположены в одной плоскости, все перемычки между полупроводниками, которые охлаждаются при данном направлении электрического тока пространственно также расположены в одной плоскости.

Аналоги (от 1 до 8) в местах соединения полупроводников не имеют средств компенсации механических напряжений возникающих от теплового расширения/сжатия. В конструкции термоэлектрического элемента классического варианта (от 1 до 8) и термоэлектрических модулей на их основе, заложена конструктивная ошибка - не компенсируется разрушающее действие теплового расширения в местах соединения полупроводников. В конструкции термоэлектрического модуля классического варианта не решена проблема взаимного смещения отдельных элементов (полупроводниковых кристаллов, мест спаев, электродов, теплоотводов) при неравномерном нагревании и охлаждении его частей. При наличии значительного градиента температуры, термоциклировании, в материалах термоэлектрического модуля реализация закона теплового расширения, изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры, приводит к нарушению целостности термоэлектрического элемента. Термоэлектрические элементы состоят из полупроводниковых кристаллов р и п типа, которые припаяны к пластинам (металлическим, керамическим). Под действием теплового расширения/сужения, нарушается целостность мест электрического и теплового соединения (спаев, перемычек) в них возникают трещины. Классический термоэлектрический модуль, описанный в аналогах (от 1 до 8), в условиях постоянно меняющегося градиента температуры на концах термоэлектрических элементов продолжительно работать не может. Классический термоэлектрический модуль (от 1 до 8) не ремонтопригоден. Полупроводниковые кристаллы, р и п типа, образующие термоэлектрический элемент припаяны к теплопроводным керамическим пластинам. В случае когда один из полупроводниковых кристаллов поврежден 8

невозможен демонтаж керамических пластин и замена поврежденного кристалла, без их разрушения. Так как керамические пластины припаяны к кристаллам и при их демонтаже полностью нарушается конструкция термоэлектрического модуля. Конструкция классического термоэлектрического модуля, примененная в аналогах (от 1 до 8), не позволяет поместить отдельно взятые полупроводниковые кристаллы в защитные корпуса препятствующие тепловому расширению/ сужению и механическому разрушению кристаллов и мест соединения (спаев).

Современные термоэлектрические устройства - аналоги (от 1 до 8), используют конструкцию классическую конструкцию термоэлектрического модуля, обладающую описанными недостатками, в этом заключается причина невостребованности термоэлектрических генераторов и холодильников в практической деятельности. Классическая конструкция термоэлектрического модуля не смогла найти широкого применения, особенно в области больших мощностей потому, что в основе этой конструкции не устранено разрушающее действие физического закона теплового расширения - изменение геометрических размеров элементов под действием температуры приводит разрушению элементов. В связи указанным конструктивным недостатком получение холода с использованием эффекта Пельтье не смогло конкурировать с фреоновыми охладителями, работающими на основе эффекта Джоуля-Томсона.

Таким образом на сегодняшний день в конструкции известных термоэлектрических модулей (от 1 до 8) существуют следующие проблемы. Термоэлектрические элементы (от 1 до 8) известные и на сегодняшний день применяемые в термоэлектрических устройствах это «классические» термоэлектрические элементы. Конструкция термоэлектрического элемента, термоэлектрического модуля и устройств на их основе, не позволяет развивать большие мощности при получения холода, так как конструктивно не приспособлена к изменению геометрических размеров, связанных с температурными изменениями размеров материалов. Существует проблема обеспечения надежности тепловых и электрических контактов между полупроводниками. Конструкция (от 1 до 8), не компенсирует деформации от теплового расширения и страдает при их появлении, разрушаясь.

Термоэлектрические материалы на основе теллуридов висмута и сурьмы, полученные методом зонной перекристаллизации, не приспособлены для промышленного применения и производственных целей в связи с малой 9

механической прочностью. Термоэлектрические элементы обрабатываются электроискровой резкой и являются очень хрупкими, подвержены разрушению при незначительных механических нагрузках. В том числе способны разрушаться от внутренних механических напряжений возникающих в неравномерно нагретом материале в результате неравномерного теплового расширения и деформации материла термоэлектрического элемента. Существующие термоэлектрические модули невозможно эффективно использовать для получения холода в системах мощностью в 5, 10 и более кВт. К проблемам термоэлектрических генераторов на полупроводниковых материалах с п и р типом проводимости, также относится низкий КПД (15%).

Предлагаемый термоэлектрический модуль (авторы дают ему название «Heisskalt») отличается от аналогов конструктивно - взаимным пространственным положением составляющих его элементов. При этом для создания термоэлектрического модуля не классической конструкции могут быть использованы существующие технологии получения термоэлектрических элементов, а также может быть использована новая технология получения термоэлектрических элементов предназначенных для сборки термоэлектрических модулей. Новая технология (не раскрыта в данной заявке, так как самостоятельно является предметом изобретения), кроме получения заявленной конструкции термоэлектрического модуля в том виде как описано в формуле, позволяет достигать более высокой механической прочности модуля, чем дополнительно увеличивает его практичность и позволяет широко применять термоэлектрический модуль «Heisskalt» в промышленности и в быту, в различных устройствах, с высокой эффективностью и рентабельностью.

Сущность изобретения.

Задача изобретения заключается в решении проблемы получения охлаждающего/нагревающего эффекта большой производительности (получение тепла и холода) за счет электрической энергии с использованием эффекта Пельтье, и в решении проблемы получения электрической энергии не классическим способом согласно эффекту Зеебека. Основными материалами используемыми для осуществления изобретения являются теллуриды висмута и сурьмы.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности и увеличении долговечности 10

термоэлектрического модуля, улучшении эксплуатационных качеств, таких как безотказность, за счет повышения устойчивости к внешнему и внутреннему разрушающему воздействию, механическому и тепловому воздействию, ремонтопригодность за счёт конструктивного обеспечения возможности замены отдельного термоэлектрического элемента в модуле.

Технический результат заключается в повышении надежности, в повышении устойчивости к внешним и внутренним тепловым и механическим разрушающим воздействиям, увеличении ресурса термоэлектрического модуля.

Технический результат обеспечивается тем, что термоэлектрический модуль состоит из цепи термоэлектрических элементов, каждый из которых состоит из двух полупроводников, один с проводимостью п типа, другой с проводимостью р типа. Полупроводники последовательно соединены. Первые места соединения полупроводников нагреваются при прохождении электрического тока в данном направлении. Вторые места соединения полупроводников охлаждаются при прохождении электрического тока в данном направлении. Первые места соединения полупроводников имеют тепловой контакт с теплоэлектропроводом нагревающим. Вторые места соединения полупроводников имеют тепловой контакт с теплоэлектропроводом охлаждающим. Свободные контактные концы полупроводников крайних термоэлектрических элементов цепи подключены к электродам, положительному и отрицательному. Отличается тем, что полупроводники расположены в ряд с заданным промежутком между ними, соединение полупроводников выполнено через теплоэлектропроводы, теплоэлектропроводы расположены в промежутках между полупроводниками, один полупроводник с проводимостью п типа соединен с теплоэлектропроводом, другой полупроводник с проводимостью р типа соединен с теплоэлектропроводом. Через теплоэлектропровод имеется электрическая связь полупроводников. Каждый следующий теплоэлектропровод расположен над предыдущим и они находятся на разном уровне, при этом от первых мест соединения полупроводников теплоэлектропровод направлен в одну сторону, от вторых мест соединения полупроводников теплоэлектропровод направлен в противоположную сторону. Теплоэлектропроводы от первых мест соединения полупроводников расположены с заданным промежутком между ними и соединены с нагревателем. Теплоэлектропроводы от вторых мест соединения полупроводников расположены с заданным промежутком между ними и 11

соединены с охладителем. Указанная сущность обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Конструкция термоэлектрический модуля "Heisskalt" имеет преимущество обеспеченное взаимным положением полупроводников и теплопроводов, характером взаимного соединения полупроводников посредством проводящих электрический ток теплопроводов (теплоэлектропровод). Это позволяет избежать негативного влияния теплового расширения на целостность конструкции. Это позволяет поместить полупроводниковые кристаллы термоэлектрических элементов в защитный корпус (металлический), который препятствует температурному расширению/сужению материалов, что позволяет предотвратить нарушение мест соединения между полупроводниковыми кристаллами. Преимущество термоэлектрического модуля "Heisskalt" также заключается в повышенной прочности полупроводниковых кристаллов, которые сделаны по новой технологии. Разрушающее действие тепловых расширений внутри термоэлектрического модуля компенсируется характером соединения полупроводников и теплоэлектропроводов. В отличие от известных аналогов предлагаемое техническое решение имеет увеличенный в разы срок службы. Конструкция позволяет заменить повреждённые кристаллы.

Заявленный термоэлектрический модуль позволяет создавать эффективные охлаждающие и нагревательные системы большой мощности, а также генераторы электрической энергии, работающие на любом виде тепловой энергии. Заявленный термоэлектрический модуль позволяет эффективно использовать эффект Зеебека, эффект Пельтье и широкого применять в быту и промышленности, термоэлектрические охлаждающие устройства, термоэлектрические нагреватели, термоэлектрические генераторы электроэнергии .

Следует указать на то, что приведенные в формуле по отдельности признаки могут комбинироваться между собой любым, технологически рациональным, образом и показывают дополнительные варианты осуществления изобретения. Сущность изобретения поясняется, но не ограничивается приведенным ниже описанием и графическими материалами, на которых изображено:

фиг.1 - схема термоэлектрического модуля, применённая в аналогах;

фиг.2 -схема термоэлектрического модуля «Heisskalt». 12

Пример осуществления изобретения.

Термоэлектрический модуль (фиг.2) состоит из цепи термоэлектрических элементов 1 (термопар), каждый из которых состоит из двух полупроводников, один 2 с проводимостью п типа, другой 3 с проводимостью р типа. Полупроводники 2,3 последовательно соединены. Полупроводники 2,3 (кристаллы) выполнены из теллуридов висмута и сурьмы, полученных методом зонной перекристаллизации. Первые места соединения 4 полупроводников 2,3 нагреваются при прохождении электрического тока в данном направлении. Вторые места соединения 5 полупроводников 2,3 охлаждаются при прохождении электрического тока в данном направлении. Первые места соединения 4 полупроводников 2,3 имеют тепловой контакт с теплоэлектропроводом 6 нагревающим. Вторые места соединения 5 полупроводников 2,3 имеют тепловой контакт с теплоэлектропроводом 7 охлаждающим. Свободные контактные концы 8,9 полупроводников 10,11 крайних термоэлектрических элементов 1 цепи подключены к электродам, положительному 12 и отрицательному 13. Полупроводники 2,3 расположены в ряд с заданным промежутком 14 между ними. Соединение полупроводников 2,3 выполнено через теплоэлектропроводы 6,7. Теплоэлектропроводы 6,7 расположены в промежутках между полупроводниками 2,3. Один полупроводник 2 с проводимостью п типа соединен с теплоэлектропроводом 6 (7), другой полупроводник с проводимостью р типа соединен с теплоэлектропроводом 6 (7). Через теплоэлектропровод 6 (7) имеется электрическая связь полупроводников 2,3. Каждый следующий теплоэлектропровод 6,7 расположен над предыдущим, и они находятся с ним на разном уровне, при этом от первых мест соединения 4 полупроводников 2,3 теплоэлектропровод 6 направлен в одну сторону, от вторых мест соединения 5 полупроводников 2,3 теплоэлектропровод 7 направлен в противоположную сторону. Теплоэлектропроводы 6 от первых мест соединения 4 полупроводников 2,3 расположены с заданным промежутком между ними и соединены с нагревателем 15. Теплоэлектропроводы 7 от вторых мест соединения 5 полупроводников 2,3 расположены с заданным промежутком между ними и соединены с охладителем 16. Полупроводниковые кристаллы 2,3 термоэлектрических элементов 1, помещены в защитный корпус 17 (металлический). Корпус 17 который препятствует температурному расширению/сужению материалов, что позволяет предотвратить нарушение мест соединения 4,5 между полупроводниковыми кристаллами 2,3.

Описание работы устройства термоэлектрического модуля.

Для нагрева или охлаждения термоэлектрический модуль подключают к цепи постоянного электрического тока. Свободные контактные концы 8,9 полупроводников 10,11 крайних термоэлектрических элементов 1 цепи подключают к, положительному 12 и отрицательному 13 электродам. Электрический ток протекает по цепи термоэлектрических элементов 1 (термопар), и вызывает нагрев первых места соединения 4 полупроводников 2,3. Электрический ток, протекает по цепи термоэлектрических элементов 1 (термопар), вызывает охлаждение (поглощения тепла) вторых мест соединения 5 полупроводников 2,3 (эффект Пелетье). Первые места соединения 4 полупроводников 2,3 передают тепловую энергию через нагревающий теплоэлектропровод 6 нагревателю 15. Вторые места соединения 5 полупроводников 2,3 забирают тепловую энергию (холод) через охлаждающий теплоэлектропровод 7 с охладителя 16. Так как полупроводники 2,3 расположены в один ряд с заданным промежутком 14 между ними, соединение полупроводников 2,3 выполнено через теплоэлектропроводы 6,7, каждый следующий теплоэлектропровод 6,7 расположен над предыдущим, и они находятся на разных уровнях, и направлены в противоположные стороны разница температур между теплопроводами 6,7, и тепловое расширение/сжатие материалов, не вызывают деформации способных разрушить места соединения 4,5. Корпус 17 препятствует температурному расширению/сужению материалов, что позволяет предотвратить нарушение мест соединения 4,5 между полупроводниками 2,3. Термоэлектрический модуль имеет применение как портативный холодильник.

Для получения электрической энергии термоэлектрический модуль помещают во внешнюю среду так, что бы нагреватель 15 и охладитель 16 имели разную температуру. Нагреватель 15 передает тепловую энергию теплоэлектропроводу 6. Охладитель 16 забирает (отводит) тепловую энергию по теплоэлектропроводу 7. При обеспечении разности температур между теплопроводами 6,7 в полупроводниках 2,3 возникает разность потенциалов, в цепи термоэлектрических элементов 1 генерируется электрический ток. Это обусловлено эффектом Зеебека. Так как полупроводники 2,3 расположены в один ряд с заданным промежутком 14 между ними, соединение полупроводников 2,3 выполнено через теплоэлектропроводы 6,7, каждый следующий теплоэлектропровод 6,7 расположен над предыдущим, и они находятся на разных уровнях, и направлены в противоположные стороны разница температур между теплопроводами 6,7, и тепловое расширение/сжатие материалов, не вызывают деформации способных разрушить места соединения 4,5. Корпус 17 препятствует температурному расширению/сужению материалов, что позволяет предотвратить нарушение мест соединения 4,5 между полупроводниками 2,3. Тепловая энергия прямо преобразуется в электрическую энергию, что позволяет эффективно использовать отработанное тепло, например, тепло двигателя внутреннего сгорания.

Источник энергии или охладитель, изготовленный из термоэлектрический модулей, является простым по своей конструкции и находится в более благоприятном состоянии для миниатюризации по сравнению с другими типами источников энергии или охлаждающими устройствами, предоставляя высокую полезность. Например, с термоэлектрическим устройством для использования в термоэлектрическом источнике энергии не возникнет проблемы утечки электролита или уменьшения мощности, как в случае окислительно- восстановительного элемента, и термоэлектрическое устройство, следовательно, имеет перспективы для применения в портативных устройствах, и в промышленных установках.

Таким образом, за счет использования изобретения, обеспечивающего устойчивость к внешнему и внутреннему разрушающему тепловому и механическому воздействию термоэлектрического модуля, повышается надежность и увеличивается долговечность работы устройств использующих эффект Пельтье и Зеебека, улучшается эффективность их применения и эксплуатационные качества, такие как безотказность, ремонтопригодность.

Изобретение применимо по указанному назначению и обеспечивает заявленный технический результат.