Термопреобразователь

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (11)3 000792 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 09.12.81 (21) 3363937/18-10 (51) М. Кн. с присоединением заявки ¹â€”

G 01 К 17/08

Н 01 Ь 37/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет 24. 05. 78

Опубликовано 28.0283. Бюллетень ¹ 8

t53) УДК 536.532 (088.8) Дата опубликования описания 280233

В. Г, Кар "=.нко, О.A. Геращенко, ж> Л, Погурска

Ф.Ф.Леженин и В.И.Бер атый"-!

l (Институт технической теплофизики АН украинской СР (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, Изобретение относится к области прямого преобразования энергии с помощью термоэлектрических устройств.

Термопреобразователь может быть использован как генератор электрического тока или как тепловой насос.

В измерительной технике его можно применять в качестве термодатчика s тепломерах, калориметрах, пирометрах и других приборах, работа которых основана на детектировании термического воздействия.

Известны термопреобразователи, основанные на использовании анизотро" пии термоэлектрических свойств в мо< нокристаллах. Принцип действия указанных преобразователей состоит в том, что вследствие аниэотропии термо-ЭДС пронизывающий монокристалл тепловой поток вызывает циркуляциюк вихревых термоэлектрических токов, приводящих к появлению поперечной относительно найравления градиента температуры составляющей термо-ЭЦС.

Конструктивно такой преобразователь представляет собой пластину, вырезанную под углом к главной кристаллографической оси полупроводникового монокристалла и закрепленную на теплоотводящей подложке (1) и (2) .

Вследствие ограниченного выбора монокристаллических материалов, для которых сильно выраженная анизотро5 пия термо-ЭДС сочеталась бы с высокой термоэлектрической добротностью, эффективность укаэанных преобразователей.низка. Кроме того, технология получения монокристаллов и их ориентированная механическая обработка сложны и трудоемки, По укаэанным причинам эти термопреЪбразователи распространения не получили.

Известен также термоэлектрический преобразователь Гайлинга, представляющий собой пластину из чередующихся параллельных и образующих термо" электрическую пару слоев двух изо" тропных материалов, находящихся в

20 тепловом и электрическом контактах между собой и ориентированных под углом к вектору теплового потока (3).

Вследствие наклонного расположения слоев в такой системе возникает поперечная составляющая ЭДС, аналогично тому, как это имеет место в обладающей анизотропией свойств монокристаллической пластине, Величина генерируемой поперечной состав;ляющей такой системы в большой мере ,зависит от герметрии слоев и их тер1000792 моэлектрических свойств. Поскольку техника получения тонкослойной струк" туры из эффективных термоэлектрических материалов оказалась крайне сложной, практического применения этот преобразователь не получил.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является термопреобразонатель, содержащий две короткозамкнутых плоскостью спая и образую- 19 щих между собой термоэлектрическую пару пластины, обладающих анизотропией электропронодности (4) .

К недостаткам известного технического решение следует отнести низкую термическую стойкость зонально-неоднородного генератора и ограниченный срок службы.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей и повышение эффективности преобразователя, Поставленная цель достигается тем, что известный термопреобразонатвль, содержащий две короткозамкнутых плоскостью спая и образующих между собой термоэлектрическую пару пластины, состоит из каскада соединенных одна с другой термически и электрически параллельно включенных термобатарей изготовленных из двух пластин изотропных материалов, каждая из которых содержит систему параллельных разрезов, выполненных в пластинах под углом о! н разные относительно стороны нормали к тепловоспринимаю- 35 щей понерхности и перпендикулярно плоскости спая термопроеобразователя, угол cL выбран в пределах 15 <оС< 45".

B отличие от прототипа преобразователь предлагаемой конструкции обла-4р дает искусственно-вызванной анизотропией, что обусловлено укаэанным образом ориентированных разрезон и позволяет термопреобразоватвли создавать с заранее известными и требуемыми свойствами, варьируя геометрическими размерами и их соотношением, а также сочетанием материалов пластин, Другая отличительная особенность предлагаемого термопреобразователя заключается в том, что он представляет собой каскад термобатарей, связанных между собой и включенных параллельно.

На чертеже показана конструкция. термопреобразователя.

Преобразователь состоит из двух спаянных между собой пластин 1 и 2 из образующих термоэлектрическую пару изотропных материалов. Пластины содержат системы параллельных разрезов 3 и 4, выполненных на глубину бО до плоскости спая 5. Разрезы в пластинах ориентированы под углом от 15 до 45вотносительно нормали к тепловоспринимающей поверхности термопреобразователя. На торцах термопреобра-65 зователя расположены токосъемные клеммы 6..

Предлагаемый термопреобразонатвль работает следующим образом.

Под действием пронизывающего термопреобразонатель теплового потока в пластинах 1 и 2 возникает градиент температуры н направлении стока тепла. Вследствие обусловленной разрезами анизотропии нихревые термоэлектрические токи, появляющиеся в искусственно-анизотропной системе, приобретают спиральную ориентацию.

Последнее вызывает накопление напряжения вдоль преобразователя подобно тому, как это Имеет место в термобатареях с большим числом последовательно соединенных термоэлементов °

Одновременно термопреобразователь работает как каскад параллельно соединенных термобатарей, При этом контакты между слоями 1 и 2 преобразователя совпадают с изопотенциалами, на которых, как известно, не имеет места шунтирование.

Термопреобразонатель обладает высокой технико-экономической эффективностью, которая обеспечивается расширением его Функциональных возможностей и понышением надежности в эксплу. атации. конструктивные особенности термопреобразователя обуславливают универсальность его применения.

Генерируемая преобразователем ЭДС не зависит от его толщины, благодаря чему он может быть выполнен достаточно тонким, что позволяет использовать

его в качестве высокочувствительного и одновременно малоинерционного теплового детектора лучистой энергии.

Вместе с тем, предлагаемый термопреобразователь может применяться и как тепловой насос, поскольку он работает аналогично каскаду параллельно включенных и наложенных друг на друга термобатарей. Такой термопреобраэователь позволяет получить низкие температуры, что не достигается одной термобатареей.

Термопреобразователь можно использонать в качестве автономного,:сточника электрической энергии, причем выбором толщины элемента легко регулировать требуемую мощность источника.

Наличие систем разрезов в термопреобразователе повышает его устойчивость к механическим и термическим напряжениям. Более того, повреждение одного из контактов многоспайной конструкции предлагаемого термопреобразователя не приводит к разрыву электрической цепи, состоящей из каскада связанных между собой и параллельно включенных термобатарей °

1000792

Формула изобретения

/41 ое

Предлагаемый термопреобразователь свободен от недостатков, свойственных преобразователям из анизотропных монокристаллов, благодаря чему его коэффициент полезного действия выше, чем у прототипа в 2-3 раза. В значительной мере это обусловлено возмож- ностью использования высокоэффективных изотропных термоэлектрических материалов с максимальной термоэлектрической добротностью, например, трой- 10 ного сплава на основе В>>Те> добротность. которого на два порядка выше, чем антимонида кадмия - основного материала анизотропных термопреобразо-. вателей. 15

Благодаря использованию дешевых в сравнении с монокристаллами материалов на порядок снижается стоимость предлагаемого преобразователя. Изготовление термопреобразователя предложенной конструкции достигается простым технологичным приемом, напри" мер, электроискровой обработкой, и может быть легко реализовано в серийном производстве, 25

1. Термопреобразователь, содержащий две короткозамкнутых плоскостью спая и образующих между собой термоэлектрическую пару пластины, отличающийся тем,что,с негью расширения функциональных воз iG)KHocтей и повьпаенин надежности работы преобразователя, он состоит из соединенных од« на с другой термически и электрически параллельно включенных термобатарей, изготовленных из двух пластин изотропных материалов, каждая из которых содержит систему параллельных разрезов, выполненных в пластинах под углом с в разные стороны относительно нормали к гепловоспринимающей поверхности и перпендикулярно к плос» кости спая термопреобразователя.

2. Термонреобразователь по и. 1, отличающийся тем, что угол с выбран в пределах 15

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 230915, кл. Н 01 L 37/00, 1963.

2. Авторское свидетельство СССР

9 240065, кл, Н 01 Ь 37/00, 1962 °

3. Cei ling L,Das ThermoeIement

als strahlungsmosser †. Zeitschrift

Й1ir angeewandte Physik,1951,В Ill<

В 5, 466-477.

4. Анатычук Л.И., Лусге О.Я..

Вихревые термоэлектрические токи и вихревые термоэлектрические термоэлементы. — Физика и техника полупроводников, 1976, М 5, с. 817-832 (прототип). филиал ППП Патент г.ужгоро <,ул.Проектная,4