Термопреобразователь

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик 1 ю 1 000792(22) Заявлено 09, 12. 81 (21 ) 336 3937/18-10 ЩМ,Кн,с присоединением заявки Мо -С 01 К 17/08 Н 01 Ь 37/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 28.02 Д 3В,Г,Карпенко, О.А.Геращенко, ЖЛ,ПогурскаФ.Ф.Леженин и В.И.Бератый"- Институт технической теплоФизики АН украинской СР(54) ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ,Изобретение относится к области прямого преобразования энергии с по" мощью термоэлектрических устройств, Термопреобразователь может быть использован как генератор электрического тока или как тепловой насос.В измерительной технике его можно применять в качестве термодатчика в тепломерах, калориметрах, пирометрах и других приборах, работа которых основана на детектировании термического воздействия.Известны термопреобразователи, основанные наиспользовании анизотро" пии термоэлектрических свойств в монокристаллах. 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 выборамонокристаллических материалов, длякоторых сильно выраженная анизотро пия термо"ЭДС сочеталась бы с высокой термоэлектрической добротностью,эффективность укаэанных преобразова"телей.низка. Кроме того, технологияполучения монокристаллов и их ориентированная механическая обработкасложны и трудоемки, По укаэанным причинам эти термопреЪбразователи распространения не получили.Известен также термоэлектрическийпреобразователь Гайлинга, представляющий собой пластину из чередующихся параллельных и образующих термо"электрическую пару слоев двух изо"тропных материалов, находящихся в 20тепловом и электрическом контактахмежду собой и ориентированных подуглом к вектору теплового потока 3).Вследствие наклонного расположения слоев в такой системе возникаетпоперечная составляющая ЭДС, аналогично тому, как это имеет место вобладающей анизотропией свойств монокристаллической пластине, Величина генерируемой поперечной состав;ляющей такой системы в большой мере,зависит от герметрии слоев и их тер 1000792моэлектрических 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 коротко- замкнутых плоскостью спая и образую" 10 щих между собой термоэлектрическую пару пластины, обладающих анизотропией электропронодности 4 .К недостаткам известного технического решение следувт отнести низкую термическую стойкость зонально-неоднородного генератора и ограниченный срок службы.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повыше-о ние 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 термобатаре изготовленных из двух пластин изо" тропных материалов, каждая из которых содержит систему параллельных разрезов, выполненных в пластинах под углом О н разные относительно стороны нормали к тепловоспринимаю щвй понерхности и перпендикулярно плоскости спая термопроеобразователя, угол сС выбран в пределах 15 Ы 4 45",В отличие от прототипа преобразователь предлагаемой конструкции обладает 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 матвриалов пластин, Другая отличительная особенность прадлагаемого термопреобразователя заключается в том, что он представляет собой каскад тврмобатарей, 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 разрвзов 3 и 4, выполненных на глубину 60 до плоскости спая 5, Разрезы в пластинах ориентированы под углом от 15 до 45 относительно нормали к тепло- воспринимающей поверхности термопре" образователя, На торцах термопрвобразователя расположены токосъемные клеммы 6.Предлагаемый термопреобразонатвльработает следующим образом.Под действием пронизывающего термопреобразонатель теплового потока 0 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 напря" жения вдоль преобразователя подобно тому, как это Имеет место в термобатареях с большим числом последовательно соединенных термоэлементовОдновременно термопреобразователь работает как каскад параллельно соединенных термобатарей, При этом контакты между слоями 1 и 2 преобразова" теля совпадают с изопотенциалами, накоторых, как известно, не имеет места шунтирование.Термопреобразонатель обладает высокой технико-экономической эффективностью, которая обеспечивается расширением его функциональных возможноствй и понышением надежности в эксплуатации.Конструктивные особенности термо"преобразователя обуславливают универсальность его применения. Генерируемая преобразователем ЭДС не зависит от его толщины, благодаря чему он может быть выполнен достаточно тонким, что позволяет использоватьего в качестве высокочувствительного и одновременно малоинерционного теплового детектора лучистой энергии,Вместе с тем, предлагаемый тврмопреобразователь может применяться и как тепловой насос, поскольку онработает аналогично каскаду параллель"но включенных и наложенных друг надруга термобатарей. Такой термопреобраэователь позволяет получить низкиетемпературы, что не достигается од"ной термобатареей.Термопреобразователь можно использонать в качестве автономного ,:сточ" ника 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, повреждениеодного 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 Патентул.Проектная,4 илиал П ,Ужгоро Предлагаемый термопреобразователь свободен от недостатков, свойствен" ных преобразователям из анизотропных монокристаллов, благодаря чему его коэффициент полезного действия выше, чем у прототипа в 2-3 раза, В значи тельной мере это обусловлено возмож-ностью использования высокоэффективных изотропных термоэлектрических материалов с максимальной термоэлектрической добротностью, например, трой ного сплава на основе В 2 Те 3, добротность. которого на два порядка выше, чем антимонида кадмия - основного материала анизотропных термопреобразо-. вателей. 15Благодаря 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 термо" электрическую пару пластины, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что,с негью расширения функциональных возможностей и повьпаенин надежности работы преобразователя, он состоит из 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 сС в разные стороны относительно нормали к гепловоспринимающей поверхности и перпендикулярно к плос кости спая термопреобразователя,2. Термонреобоазователь по п, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что угол с выбран в пределах 15 оЫ 45.о Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 230915, кл. Н 01 Ь 37/00, 1963.2. Авторское свидетельство СССР9 240065, кл, Н 01 Ь 37/00, 19623. Се 1 11 пд Ь,Оая Тпеппое 1 ещеп 1а 1 я я 1 гаЬ 1 цпдящояяег т Ее 1 ясЬг 121Й 11 г апдеыапйе РЬуяЫс,1951,В 111 с9 5, 466-477.4, Анатычук Л.И., Лусте О.ЯВихревые термоэлектрические токи ивихревые термоэлектрические термоэлементы. - Физика и техника пол 9 проводников, 1976, М 5, с. 817-832