Спосіб виготовлення багатоелементної високонадійної термобатареї

1 Спосіб виготовлення термобатареї, який включає підготовку теплопереходів із неелектропровідного матеріалу з високою теплопровідністю, на яких формують відокремлені одна від одної металізовані електропровідні ділянки, розташування яких відповідає схемі комутації термоелементів у термобатареї, приєднання до електропровідних ділянок теплопереходу гілок термоелементів п- і р-типу провідності згідно із схемою їх комутації в термобатареї, паралельне підключення резервуючих елементів, виготовлених у вигляді резервуючих опорів, які в 5-10 разів перевищують опір гілки термоелементів у термобатареї, який відрізняється тим, що комутаційні схеми на теплопереходах виготовляють у вигляді неперервної металізованої доріжки, на якій ділянки з високою електропровідністю почергово контактують із ділянками, що мають підвищений опір і виконують роль резервуючих елементів при виході з ладу окремих гілок термоелементів, не допускаючи розриву електричного кола в термобатареї, а резервування всіх гілок термоелементів здійснюють одночасно з їх приєднанням до теплопереходів 2 Спосіб виготовлення термобатареї за п 1, який відрізняється тим, що ділянки металізації з підвищеним опором до операції приєднання теплопереходів на період виготовлення термобатареї покривають захисним покриттям, яке може бути видалене після виготовлення термобатареї Винахід належить до області термоелектрики, а більш конкретно - до способів виготовлення термобатарей, які можуть використовуватися як для генерації електричної напруги (термогенератори), так і для термоелектричного охолодження або підігріву, а також для пристроїв вимірювальної техніки Підвищення надійності термобатарей (ТЕБ), як і всіх інших електронних систем, може здійснюватись двома способами за рахунок підвищення надійності її конструктивних елементів - складових частин (гілок термоелементів, теплопереходів, контактних з'єднань та ш ), та завдяки використанню резервування найменш надійних елементів [1, 2] Відомий спосіб виготовлення ТЕБ з підвищеною надійністю за рахунок паралельного і послідовнопаралельного з'єднання термоелементів [3] Недоліком такого способу є значне ускладнення технологи виготовлення ТЕБ, різке збільшення масогабаритних характеристик ТЕБ, перевитрати дорогих напівпровідникових термоелектричних матеріалів, така ж мала надійність резервуючих ТЕБ як і надійність основної ТЕБ надійністю, при якому всередині гілок термоелемента п- та р- типу провідності розташовують шунтуючий провідник [4] Такий спосіб є надзвичайно складним та дорогим Він обмежує можливості мікромініатюризації ТЕБ, оскільки гілки термоелементів мусять бути достатньо об'ємними При використанні такого способу різко збільшується перетікання паразитних теплових потоків між холодними і гарячими спаями ТЕБ і т ш Також відомий спосіб використання високо надійної ТЕБ, при якому резервування гілок термоелементів здійснюється діодами [5] Недоліками такого способу виготовлення термобатарей є звуження їх робочого температурного діапазону, технологічна складність монтажу, велика вартість, збільшення масо-габаритних характеристик, значно більші енергетичні втрати на ДІОДІ, ЩО ВИЙШОВ З ладу, ніж ЕРС, що виробляється термоелементом Найближчим до заявленого є спосіб виготовлення високонадійної ТЕБ, описаний в [6] При такому способі виготовлення ТЕБ з підвищеною надійністю кожна гілка термоелемента п- та ртипу провідності резервується елементами, виконаними у вигляді опорів (ніхромового дроту діаме Відомий спосіб виготовлення ТЕБ з більшою О ^00 (О 61840 ТЕБ велика КІЛЬКІСТЬ термоелементів з'єднана послідовно і достатньо одній ГІЛЦІ термоелемента вийти з ладу (тріщина, непропай, тощо) як уся ТЕБ стає непрацездатною Виконати резервування такої ТЕБ за допомогою шунтуючих опорів способом, описаним в прототипі [5], також практично неможливо, бо ТЕБ є складною просторовою конструкцією і приєднати шунти можна хіба що до ЗОВНІШНІХ рядів термоелементів Шунтування опором кожної гілки термоелемента до моменту виготовлення термобатареї є надзвичайно трудомістким і значно ускладнить оснащення для виготовлення ТЕБ та и вартість На фіг 2 показана типова схема розташування електропровідних і резервуючих ділянок металізації, що відповідають схемі комутації термоелементів в ТЕБ у запропонованому способі її виготовлення Як видно із фіг 2, комутаційна схема на теплопереході виконана у вигляді непреривної металізованої доріжки, на якій електропровідні ділянки почергово контактують із ділянками, що мають підвищений опір і виконують роль резервних елементів при виході з ладу окремих гілок термоелемента і не допускають розриву електричного кола в ТЕБ Виготовлення ТЕБ здійснюється в даному випадку аналогічно з загальноприйнятою технологією шляхом одночасного приєднання (припаювання) обох теплопереходів до зафіксованих в оснастці гілок термоелементів Такий спосіб дозволяє виготовляти ТЕБ, в яких кожна з гілок термоелементів резервується металізованою ділянкою теплопереходу, що має підвищений опір Причому, для запобігання можливості закорочення ділянок з високою електропровідністю, ділянки з підвищеним опором на період виготовлення модуЗадачою даного винаходу є створення спосоля, можуть покриватися захисним покриттям, яке бу для спрощення технології виготовлення висовидаляється після виготовлення ТЕБ конадійної термобатареї з резервуючими елементами у вигляді опорів, які шунтують кожну гілку На фігурах 1, 2 зображено термоелемента 1 - керамічна основа, 2 - електропровідні ділянки, Вказану задачу досягають тим, що у способі виготовлення термобатареї комутаційну схему на З - ділянки з підвищеним опором (резервуючи теплопереході, виготовленому із неелектропровіделементи) ного матеріалу з великою теплопровідністю, викоПрактична реалізація запропонованого спосонують у вигляді неперервної металізованої доріжбу виготовлення багатоелементної високонадійної ки, на якій ділянки з високою електропровідністю ТЕБ реалізується таким чином На пластинах, випочергово контактують із ділянками, що мають готовлених із матеріалу з високою теплопровідніспідвищений опір і виконують роль резервуючих тю (ВК-94-1, ВК-96-1, ВК-100 ("Полікор"), окис беелементів при виході з ладу окремих гілок терморилію, тощо) відомими методами за допомогою елементів, не допускаючи розриву електричного фотошаблонів згідно із схемою електричної комукола в ТЕБ, а резервування всіх термоелементів тації ТЕБ формують ділянки з високою електроздійснюють одночасно з приєднанням гілок термопровідністю Зазвичай для цієї мети використовуелементів до теплопереходів ються пасти, що містять срібло, мідь, нікель та ІНШІ Шляхом впалювання в високотемпературних На фіг 1 показана типова схема розташування печах ці пасти перетворюються в металізовані електропровідних ділянок металізації, що відповіділянки на теплопереходах Аналогічним чином дають схемі комутації термоелементів у ТЕБ Така пропонується наносити на теплопереходи ділянки схема використовується при загальноприйнятому металізації з підвищеними опором, які з'єднують способі виготовлення багатоелементних батарей сусідні ділянки з хорошою електропровідністю (термоелектричних модулів) При цьому попереДля таких ділянок з підвищеним опором матеріадньо підготовлені і залуджені з торців гілки термолами можуть бути ніхром, манганін та ш Вони моелементів п- і р- типу провідності при допомозі жуть наноситись на теплоперехід і іншими спососпеціального оснащення за один технологічний бами, наприклад, методом напилення, або прийом приєднуються (припаюються) до залуджегальванічним покриттям Для того, щоб припій при них металізованих ділянок на нижньому (фіг 1а) виготовленні ТЕБ не затік на металізовану ділянку та верхньому (фіг 16) теплопереходах згідно із з підвищеним опором і не закоротив м, останню на схемою комутації термоелементів в ТЕБ В такій тром 0,01-0,03мм) Резервуючи елементи мають опір в 5-10 разів більший за внутрішній опір кожної з гілок термоелементів ТЕБ і паралельно приєднуються до гілок термоелементів в місцях їх спаїв При цьому шунтується кожна гілка термоелементів Руйнування однієї із гілок термоелементів ТЕБ не призводить до розриву електричного кола, оскільки струм ТЕБ пройде через резервуючий опір, що шунтує гілку, яка вийшла з ладу При цьому загальний опір ТЕБ, а, отже, и параметри, зміняться дуже мало в порівнянні з загальним опором ТЕБ Оскільки, резервуючий опір вибирається більшим за опір кожної гілки термоелемента, то чим більше термоелементів входить в ТЕБ, тим менші будуть енергетичні втрати в такій ТБ Недоліками такого способу створення високонадійної термобатареї є складність його практичної реалізації і велика трудомісткість Резервування ніхромовим дротом діаметром 0,01-0,03мм вимагає створення спеціальної технології і підготовки персоналу, здатного виконувати мікромініатюрні роботи Резервуючи елементи мають невелику механічну МІЦНІСТЬ і при роботі з ними можуть пошкоджуватись Застосування таких резервуючих елементів стає тим ВИГІДНІШИМ, ЧИМ більше термоелементів має ТЕБ Однак, таким способом практично можливо виготовляти лише ТЕБ, в яких термоелементи розташовуються в один ряд Приєднання резервуючих елементів в багаторядній ТЕБ практично не можливе Хіба що, кожна гілка термоелемента до процесу монтажу повинна мати приєднаний резервуючий елемент Однак, це надзвичайно ускладнить оснащення для збирання ТЕБ і збільшить трудозатрати на и виготовлення 61840 чно не відрізняється від описаного в [5] період виготовлення модуля доцільно, наприклад, Використання запропонованого способу вигопокривати захисним шаром лаку, який легко може товлення ТЕБ з підвищеною надійністю може знавидалятись після закінчення монтажу ТЕБ шляхом чно розширити сфери використання термоелектзвичайного відмивання у відповідному розчиннику ричних приладів Особливо актуальним це є для Перевагою запропонованого способу перед створення автономних термоелектричних систем прототипом є те, що при ньому практично не збіживлення, ресурс роботи яких може досягати 25льшуються розміри ТЕБ Він має значно ширші 30 років можливості для вибору резервуючих (шунтуючих) матеріалів Адже шляхом напилення, наприклад, Література можливо сформувати шунтуючу доріжку будь1 Половко А М Основа теории надежности // якого перерізу Причому всі операції по резервуМ - Наука -1964 ванню виконуються в груповому режимі Таким 2 Справочник под ред Ушакова И А Надежспособом можна виконувати не лише резервуванность технических систем // М - Радио и связь ня гілок термоелементів, а і здійснювати багато1985 -бОбстр ступеневе резервування, резервуючи ЦІЛІ ряди 3 Ефимов В А и др Вопросы повышения натермоелементів у ТЕБ та використовуючи для цієї дежности термоэлектрических батарей // Холодимети різні матеріали для забезпечення заданого льная техника - №3 -1968-стр 1618 співвідношення опорів шунта і частини ТЕБ Шунт, 4 Патент Австралии №474625 класса HOIV виконаний запропонованим способом, значно рід1\26, GOIK72ony6n 1973 ше може бути пошкодженим після виготовлення 5 Схема электрических соединений ШЭ 692 модуля Операція виготовлення багатоелементно00 - 00 термоэлектрического преобразователя го термоелектричного модуля з зарезервованими ТЭБ - 60/40 для радиоизотопного генератора Г термоелементами практично нічим не відрізняєть90 - 60/40 // Технический проект СКБ Института ся від виготовлення ТЕБ звичайним, добре відполупроводников АН СССР Ленинград 1970 працьованим способом 6 Анатычук Л И , Микитюк П Д А С СССР №1073824 Низковольтная термоэлектрическая Розрахунок співвідношення електричних опобатарея Зарегистр 15 10 1983 рів термоелементів та резервуючих опорів практи Фіг. 2 Фіг. 1 Комп'ютерна верстка М Клюкш Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119