Способ изготовления ветвей термоэлемента

 

Использование: при изготовлении термоэлектрических генераторов. Сущность изобретения: способ позволяет повысить качество ветвей термоэлементов вследствие уменьшения величины переходного сопротивления между термоэлектрическим материалом и элементами коммутации. Для этого предварительно в вакуумпроводную трубу помещают элементы коммутации, и одновременно с заполнением ее расплавленным термоэлектрическим материалом происходит соединение термоэлектрического материала с элементами коммутации.

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению и может быть в частности использовано при изготовлении термоэлектрических генераторов.

Известен способ изготовления ветвей термоэлектрических батарей, включающий резку полупроводникового материала необходимых размеров, шлифовку и травление торцов ветвей термоэлементов, нанесение элементов коммутации [1] .

Недостатком данного способа является достаточно высокое переходное сопротивление между термоэлектрическим материалом и элементами коммутации, наличие ряда трудоемких операций, таких, как шлифовка и травление торцов ветвей термоэлементов, а также то, что не все коммутационные материалы могут быть нанесены на материал полуэлемента непосредственно.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является способ изготовления ветвей термоэлектрической батареи, состоящий в изготовлении термоэлементов путем заполнения предварительно вакуумированной закрытой с одного конца трубы из электроизоляционного материала расплавлением термоэлектрическим материалом, охлаждения заполненной трубы, разрезания ее на полуэлементы и соединения термоэлектрического материала с элементами коммутации.

Недостатком данного способа является достаточно высокое переходное сопротивление между термоэлектрическим материалом и элементами коммутации, а также необходимость обработки торцов ветвей термоэлементов и нанесение на них элементов коммутации, что годится не для всех материалов.

Целью изобретения является повышение качества ветвей термоэлементов за счет уменьшения переходного сопротивления.

Повышение качества ветвей термоэлементов возможно только при наличии хорошего контакта между элементами коммутации и термоэлектрическим материалом, т. е. необходимо, чтобы на каком-либо этапе процесса термоэлектрический материал и элементы коммутации находились в одном месте. Это требование обеспечивается помещением элементов коммутации в трубу. Для повышения качества ветвей термоэлементов поверхность элементов коммутации должна быть как можно более чистой, а соединение элементов коммутации с термоэлектрическим материалом должно происходить при высокой температуре. Это достигается тем, что элементы коммутации и термоэлектрический материал нагреваются в вакууме и их соединение происходит в момент достижения максимальной температуры процесса одновременно с заполнением трубы. Таким образом, каждый из признаков необходим, а их совокупность достаточна для достижения заявленного положительного эффекта.

Изготовление ветвей термоэлементов производится следующим образом. В закрытую с одного конца трубы помещают элементы коммутации. В нагреваемую зону вакуумной печи помещают тигель с термоэлектрическим материалом с помещенной в него закрытым концом вверх трубой, в которой предварительно установлены элементы коммутации. Элементы коммутации могут представлять собой пластины, кольца, цилиндры и т. п. Элементами коммутации могут также быть стенки трубы. Объем печи вакуумируются, тигель с материалом нагревается до заданной температуры, обеспечивающей полное расплавление термоэлектрического материала. После этого объем печи заполняется инертным газом. Под давлением газа термоэлектрический материал заполняет все пустоты в трубе и элементах коммутации. Печь охлаждается до комнатной температуры и из нее извлекается труба с полуфабрикатом ветвей термоэлемента. Из полученного полуфабриката формируются готовые полуэлементы.

П р и м е р 1. В кварцевой трубе прямоугольного сечения 8х8 мм длиной 70 мм размещают вдоль стенок трубы элементы коммутации в виде двух хромированных никелевых пластин толщиной 0,7 мм. Труба закрытым концом вверх помещается в тигель с моносилицидом кобальта. Тигель с порошком и трубой помещается в вакуумную печь, откачивается до давления 1 Па и затем нагревается до 1700 К. После этого откачка прекращается, и в печь напускают аргон. При этом происходит заполнение трубы и соединение термоэлектрического материала с элементами коммутации. После остывания печи труба из нее вынимается, полуфабрикат ветвей извлекается из трубы и разрезается на 36 полуэлементов размером 3х3х7 мм полностью готовых к сборке в батарею.

П р и м е р 2. Из графита изготовляют трубу прямоугольного сечения 12х5 мм, толщиной стенок 1 мм, длиной 70 мм, закрытую с одной стороны. Являющаяся элементом коммутации труба с закрытым концом вверх помещается в тигель с высшим силицидом марганца. Тигель с порошком и трубой помещается в вакуумную печь, откачивается до давления 1 Па и затем нагревается до 1570 К. После этого откачка прекращается, и в печь напускается аргон. При этом происходит заполнение трубы и соединение термоэлектрического материала со стенками трубы. После остывания печи труба извлекается, отрезается торец и узкие боковые стенки, а оставшаяся пластина разрезается на 54 полуэлемента размером 3х3х7 мм полностью готовых к сборке в батарею.

На всех полученных полуэлементах, а также на полуэлементах полученных по способу-прототипу было измерено переходное сопротивление. Переходное сопротивление измерялось по скачку напряжения при измерении зависимости напряжения от расстояния между зондом и краем образца при фиксированном токе через образец. Точность определения положения зонда составляла 1 мкм. Переходное сопротивление по полуэлементах, полученных по способу-прототипу составило (0,61±0,04)˙10^-5 Ом˙см², на полуэлементах из примера 1 - (0,39±0,04)˙10^-5 Ом˙см², а на полуэлементах из примера 2 - (0,43±0,04)˙10^-5 Ом˙см².

Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить качество ветвей термоэлементов за счет уменьшения переходного сопротивления не менее чем на 30% по сравнению с прототипом. Кроме того при применении способа упрощается технологический процесс изготовления ветвей термоэлектрических батарей и расширяется круг используемых коммутационных материалов. Также данный способ в некоторых вариантах реализации позволяет осуществить защиту материалов ветвей термоэлементов от коррозии и сублимации. (56) Дудкин Л. Д. и др. Энергетические и ресурсные характеристики высоковольтных низкотемпературных термобатарей: Гелиотехника, 1977, N 3.

Авторское свидетельство СССР N 1250114, кл. Н 01 L 35/34, 1984.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЕТВЕЙ ТЕРМОЭЛЕМЕНТА путем заполнения предварительно вакуумированной трубы, закрытой с одного конца расплавленным термоэлектрическим материалом, охлаждения заполненной трубы, разрезания ее на полуэлементы и соединения термоэлектрического материала с элементами коммутации, отличающийся тем, что, с целью повышения качества ветвей термоэлементов за счет уменьшения переходного сопротивления, в трубу предварительно помещают элементы коммутации и одновременно с заполнением осуществляют соединение термоэлектрического материала с элементами коммутации.