Способ изготовления термоэлементов

(54) ТЕРМОЭЛГОТОВВЕНИЯ юл. %31и И.К,Батраквидетельство СССР01 ) 35/04, 1976.видетельство СССР0135/34, 1965. НТ И СПОСОБ ЕГО ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) АНИЕ ИЗО Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в термоэлементах, ветви которых предпочтительно выполнять из тройных сплавов на основе теллурида висмута, и при изготовлении этих термоэлементов.Предложенный способ включает операции. прессования ветвей из порошков полупроводниковых материалов при комнатной температуре, изготовление коммутационной шины, присоединение коммутационной шины, при этом изготовление и присоединение коммутационной шины проводят одновременно посредством газоплазменного напыления никеля непосредственно на торцевые поверхности ветвей и электроиэоляционной проставки и затем проводят дополнительное упрочнение, включающее термообработку. П ри этом предпочтительно при газоплазменном напылении в зону плазмообразования подавать заготовку в виде никелевого провода диаметром 0,7 - 1,1 мм со скоростью 1,3-1,9 мм/с при следую(57) Область использования: прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Сущность изобретения: при изготовлении термоэлемента после прессоIвания ветвей из порошков полупроводниковых материалов и размещения между ними проставки из электроизоляционного материала проводят газоплазменное напыление никеля, формируя тем самым коммутационную шину требуемой толщины и затем проводят отжиг или горячее прессование. 3 з,п. ф-лы, 2 ил,щих режимах плазмообразования: мощ ность 6,2 - 9,5 кВт; расход инертного газа 20-35 л/мин; дополнительное упрочнение проводить путем отжига в инертной атмосфере при температуре 430-460 С в течение 1-1,5 ч; дополнительное упрочнение проводят путем "горячего" прессования при температуре 370 - 400 С, давлении 3 - 4 т/см в течение 5-10 мин,Как показали проведенные экспериментыникель обладает отличной совместимостью с полупроводниковыми ветвями, выполненными из тройных сплавов на основе теллурида висмута. Для максимального снижения стоимости толщину коммутационной шины из никеля выбирают наименьшей, обеспечивающей приемлимые электрические потери (не более 5) в коммутационных соединениях. Как показали проведенные эксперименты, электрическое сопротивление на границе полупроводник - никель не превышает величины 10 5 Ом см и вклад этого сопроТйвления в обЦие контактные потери составляет доли процента. и таким образомосновной вклад вносят электрические потери в никелевой перемычке. Как показали проведенные расчеты, толщина коммутационных шин иэ никеля (при используемых обычно на практике ветвях со стороной 3-5 мм) должна выбираться в пределах 0,9 - 1,2 мм, что при используемых в подавляющем большинстве случаев высотах ветвей 3-7 мм приводит к оптимальному диапазону отношений толщины коммутационной шины к высоте ветви 1;2,5 - 1:10, т.к, при больших величинах этого отношения электрические потери могут превысить допустимый предел, а при меньших значениях этого отношения недопустимо вырастает толщина коммутационной шины, Выполнение ветвей в виде пластин, большие поверхности которых примыкают к электроизоляционной проставке сводит до минимума среднюю длину линий тока в коммутационных шинах, что позволяет соответственно уменьшить ее толщину и следовательно снизить стоимость. Выполнение торцевой поверхности электроизоляционной проставки в виде углубления цилиндрической формы позволяет при изготовлении 1 ермоэлемента автоматически формировать зиг в средней части коммутационной шины, что при прочих равных, условиях позволяет до минимума уменьшить толщину коммутационной шины, сохраняя стойкость к термоциклам благодаря наличию зига. Повышению устойчивости к термоциклированию способствует и выполнение электроизоляционной перемычки из асбеста, поскольку он достаточно устойчив к деформациям при нагреве и служит опорой для коммутационной шины, что позволяет уменьшить ее толщину, и соответственно снизить стоимость термоэлемента,,Предпочтительно при газоплазменном напылении коммутационной шины подавать в зону плазмообразования заготовку из никелевого провода (в сравнении с использованием порошка никеля снижается стоимость и, главное, устраняется окисление поверхности при хранении). Диаметр провода выбирают в пределах 0,7; 1,1 мм, т,к. проведенные эксперименты позволили установить, что при диаметре менее 0,7 мм наблюдалось частичное сгорание образующихся при расплавлении окончания провода капель, а при диаметре, превышающем 1,1 мм происходит забивание сопла установки. Оптимальная скорость подачи заготовки в виде никелевого провода установлена 1,3-1,9 мм/с, т,к. при меньших скоростях не удается обеспечить поступление требуемого количества никеля, а при скоростях свыше 1,9 мм/с непроплавление отдельных участков провода, Экспериментально установлено, что при газоплазменном напылении никеля на торцыхолоднопрессованных полупроводниковых5 ветвей мощность плазмотрона следует устанавливать в диапазоне 6,2 - 9,5 кВт и расходинертного газа (как правило аргон) 20 - 35л/мин, поскольку при мощности менее 6,2кВт наблюдается неравномерность напыля"0 емого слоя, а повышение мощности сверх9,5 кВт не приводит к дальнейшему повышению качества напыляемого слоя никеля, авызывает необходимость излишних энергозатрат. При расходе инертного газа менее15 20 л/мин имеет место неустойчивость образующейся струи, а при расходах, превышающих 35 л/мин происходит срыв струи.Вслед за газоплазменным напылением никеля проводят дополнительное упрочнениЕ20 пОлученной структуры с использованиемтермообработки, что позволяет наряду с повышением термоэлектрической добротности улучшить термомеханическиехарактеристики ветвей, коммутационныхшин и их контактных соединений. Так приупрочнении при помощи отжига в инертнойсреде экспериментально установлен диапазон температур 430-460 С, т.к. при мень- ших температурах не удается сформировать30 достаточно прочные структуры, а при больших значениях температур резко возрастает сублимация пОлупроводника.Соответственно указанным температурамсоответствуют времена отжига 1,5 - 1 ч, При35 исгользовании для упрочнения "горячего"прессования экспериментально установлены параметры режима: температура 370 -400 С (при меньших температурах не удается получить достаточного упрочнения, а при40 температурах более 400 С наблюдается перепрессовка), давление 3-4 т/см (при мень 2ших давлениях не удается .сформироватьдостаточно прочные структуры, при больших чем 4 т/см - перепрессовка), время25-10 мин (при времени менее 5 мин не удается завершить формирование структуры, апри времени, превышающем 10 мин не наблюдается дальнейшего увеличения прочности, но возрастает стоимость этой50 операции).Изобретение поясняется чертежом, гдена фиг. 1 - термоэлемент(верхняя часть); нафиг. 2 - термоэлемент с цилиндрическойформой торца электроизоляционной про 55 ставки,Термоэлемент содержит: полупроводниковые ветви 1. 2, коммутационную шинуиз никеля 3, присоединенную к их торцевымповерхностям, электроизоляционную проставку 4, размещенную между ветвями 1, 2, 1836755на торцевой поверхности которой 5 расположена средняя часть коммутационной шины 3.Полупроводниковые ветви 1, 2 предпочтительно выполнять из полупроводниковых тройных сплавов на основе теллурида висмута (и ветвь В 2 Теа - Зп 2 Тез и р-ветвь О/В 2 Те 3 - ЯЬ 2 Теа с соответствующими легирующими примесями), поскольку именно эти материалы обладают наибольшей.термоэлектрической добротностью в диапазоне температур 20-300 С, возможно выполнение ветвей из среднетемпературных материалов, например, из теллурида свинца. Коммутационные шины 3 выполня-. ются из никеля (предпочтительно толщиной 0,9 - 1,2 мм). Электроизоляционная проставка изготавливается из материалов, обладающих наряду с хорошими электроизоляционными свойствами достаточной термостойкостью, например, из слюды, полиимида, предпочтительно из асбеста.П р и м е р. При комнатной температуре из порошков полупроводниковых материалов (тройные сплавы на основе теллурида висмута) прессовались ветви при давлении 4 т/см 2, размеры ветвей: сечение 3 х 3 мм, высота 5 мм. Между ветвями размещалась прослойка из листового асбеста толщиной 0,2 мм, которая приклеивалась к их боковым поверхностям каплями эпоксидной смолы, при этом торцевуо поверхность проставки размещали заподлицо с торцевыми поверхностями ветвей. Затем через окно в листе, имеющем форму, соответствующую коммутационной шине проводилось газоплазменное напыление никеля с использованием плазменной установки УПУ-ЗД. В зону плазмообразования подавали провод из никеля диаметром 0,8 мм со скоростью 1,7 мм/с, при этом затрачиваемая мощность плазмотрона составляла 8 кВт при расходе аргона 25 л/мин. Напыляли слой никеля толщиной 1 мм. Полученную заготовку из холоднопрессованных ветвей с никелевой шиной (предварительно напыление никеля проводили на противоположную торцевую поверхность каждой ветви) в течение 80 мин отжигали в атмосфере аргона при температуре 450 С. Измерение характеристик изготовленного термоэлемента показало, что его термо-ЭДС соответствует характеристикам базового обьекта, а сопротивление коммутационных соединений составило менее 3 от внутреннего сопротивления ветвей.Изготовленный термоэлемент (см. фиг.1) работает следующим образом. На "горя чую" коммутационную шину 3 поступаеттепловой поток, который, проходя через полупроводниковые ветви 1, 2,создает на них перепад температур и за счет эффеЧа Зеебека генерируется термо-ЭДС и с крайних 10 коммутационных шин термоэлемента (начертеже не указаны) в полезную нагрузку поступает вырабатываемая термоэлемен, том электрическая энергия. При нагреве "горячих. спаев" термоэлемента происходит 15 термйческое расширение коммутационныхшин 3, средняя часть которой опирается нэ торцевую поверхность 5 электроизоляционной проставки 4. При длительной эксплуатации (1000 ч и более) не наблюдалось 20 ухудшения характеристик термоэлемента,Формула и зоб рете н и я1. Способ изготовления термоэлементов, выполненных преимущественно из25 тройных сплавов на основе теллурида висмута, включающий операции прессованияпри комнатной температуре ветвей из порошков полупроводниковых материалов икоммутации ветвей посредством газоплаз 30 мен ного напыления никеля на торцевые поверхности ветвей, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что газоплазменное напыление никеля проводят одновременно на торцевые поверхности ветвей и электроизоляционной35 простввки, расположенной между ветвями,а затем осуществляют дополнительное упрочнение. включающее термообработку.2. Способ пои. 1, отл ич а ю щи й с ятем, что при газоплазменном напылении в40 зону плазмообразования подают заготовкув виде провода из никеля диаметром 0,7-1,1мм со скоростью 1,3-1,9 мм/с, при этомустанавливают параметры режима плазмообразования: мощность 6,2-9,5 кВт, расходинертного газа 20-35 а/мин.45 3. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что дополнительное упрочнение проводят путем отжига в инертной атмосфере при430-460 С в течение 1-1,5 ч.4. Способ по и. 1. о т л и ч а ю щ и й с я50 тем, что дополнительное упрочнение осуществляют горячим прессованием при 370400 С, давлении 3-4 т/см 2 в течение 5-10мин.,1836755Составитель Т.Щуки Техред М.Моргентал Корректор С,Патрушев едактор аз 3024 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 ательский комбинат "Патент"., г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 роизводственн