Спіральний термоелемент

1. Спіральний термоелемент, з робочим тілом у ви гляді спіралі, яка має множину витків, який відрізняє ться тим, що він містить електропровідний елемент у вигляді спіралі, який має принаймні один електричний контакт з кожним витком робочого тіла. 2. Спіральний термоелемент за п. 1, який відрізняється тим, що електропровідний елемент виконаний у вигляді металевого дроту. 3. Спіральний термоелемент за п. 1, який відрізняється тим, що електропровідний елемент виконаний у вигляді джгута проводів. 4. Спіральний термоелемент за п. 1, який відрізняється тим, що на поверхні витка робочого тіла C2 2 (19) 1 3 82885 з'єднані послідовно так, що відмова одного витка приводить до відмови всього термоелемента. Надійність термоелектричних джерел живлення з відомими спіральними термоелементами може бути підвищена використанням додаткового паралельного підключення декількох спіральних термоелементів. Однак при цьому зростають габарити пристроїв, що стає істотною перешкодою при створенні мініатюрних джерел живлення. Другим недоліком відомих спіральних термоелементів є їх низька ефективність. Внаслідок того, що робоче тіло відомих спіральних термоелементів виготовляється з одного матеріалу, в таких термоелементах для термоелектричного перетворення енергії використовуються або анізотропія термоЕРС матеріалу, або термомагнітні ефекти. Однак, як відомо, ефективність сучасних матеріалів для анізотропних і термомагнітних перетворювачів теплової енергії в електричну нижча ніж у термопарних термоелементів. Це обумовлює низький ККД відомих термоелементів з робочим тілом у вигляді спіралі. В основу винаходу поставлена задача створити термоелемент для джерел живлення з високою надійністю при збереженні ККД перетворення теплової енергії в електричну на рівні кращих термопарних елементів. Для досягнення цієї мети, термоелемент з робочим тілом у вигляді спіралі, яка має багато витків, відповідно до винаходу, містить електропровідний елемент у вигляді спіралі, який має по меншій мірі один електричний контакт з кожним витком робочого тіла. В конкретних випадках виконання винаходу, електропровідний елемент виконаний у вигляді металічного проводу. В конкретних випадках виконання винаходу електропровідний елемент виконаний у вигляді жгута проводів. В конкретних випадках виконання винаходу, на поверхні витка робочого тіла розташовані металеві шунтувальні елементи, які мають електричний контакт з витком робочого тіла і електричний контакт з електропровідним елементом. У конкретних випадках виконання винаходу робоче тіло термоелемента виконано у вигляді порожнистого бруска, розділеного на множину розташованих уздовж спіралі витків, що складається із двох частин n- і р-типу провідності із границею розділу між цими частинами бруска, кожен виток робочого тіла складається з n- і р-гілки, nгілка розташована в частині бруска n-типу провідності, р- гілка розташована в частині бруска р-типу провідності, n- і р-гілки мають електричний контакт на границі розділу частин бруска n- і р-типу провідності. У цих випадках: - на поверхні витків робочого тіла розташовані металеві шунтувальні елементи; - металеві шунтувальні елементи мають електричний контакт з двома частинами бруска n- і ртипу провідності; - брусок має форму прямокутного паралелепіпеда, а внутрішня порожнина бруска має форму кругового циліндра. 4 В конкретних випадках виконання винаходу електричний опір електропровідного елемента більший електричного опору робочого тіла. На Фіг.1 показаний загальний вид конкретного виконання спірального термоелемента відповідно до винаходу. На Фіг. 2 показаний загальний вид порожнистого бруска, форму якого має робоче тіло показаного на Фіг.1 спірального термоелемента. Спіральний термоелемент відповідно до винаходу, як показано на Фіг. 1, містить робоче тіло 2 у вигляді спіралі, що має множину витків 7. В залежності від конкретного виконання робоче тіло 2 може бути виготовлено з відомих однорідних або неоднорідних термоелектричних матеріалів, наприклад, сплавів на основі теллурида вісмуту, антимоніду кадмію, вісмуту і його сплавів. У показаному на Фіг. 1 випадку виконання винаходу робоче тіло 2 виготовлене з неоднорідного термоелектричного матеріалу у вигляді бруска, розділеного на множину розташованих уздовж спіралі витків, зовнішня форма бруска показана на Фіг. 2. Для більшої зрозумілості малюнка, на Фіг. 2 наявні в робочому тілі 2 витки 7 не показані. Брусок складається із двох частин 11, 12, виконаних з матеріалів n- і р-типу провідності відповідно, із границею розділу 13 між цими частинами 11, 12 бруска. Границя розділу 13 є електричним контактом частин 11, 12 бруска. Брусок має усередині порожнину 14, розташовану між частинами 11,12 бруска. У конкретному випадку виконання винаходу, показаному на Фіг.1, 2 брусок має форму прямокутного паралелепіпеда, а внутрішня порожнина 14 бруска має форму кругового циліндра. Кожен виток 7 робочого тіла 2 складається з nі р-гілок 3,9. n- гілка 3 розташована в частині 11 бруска n-типу провідності, р- гілка 9 розташована в частині 12 бруска р-типу провідності, n- і р-гілки 3, 9 мають електричні контакти 1,4 на границі розділу 13 частин бруска 11,12 n- і р-типу провідності, так що кожен виток 7 робочого тіла 2 містить дві послідовно з'єднані гілки 3, 9 спірального термоелемента. При цьому всі витки 7 робочого тіла 2 з'єднані електричне послідовно. Перший й останній витки 7 робочого тіла 2 мають електричні контакти 6, 10 для з'єднання спірального термоелемента із зовнішнім електричним колом. В якості матеріалів частин бруска 11, 12 використовуються відомі термоелектричні матеріали n- і р-типу провідності, наприклад сплави на основі теллурида вісмуту. Спіральний термоелемент, відповідно до винаходу, містить електропровідний елемент 5 у вигляді спіралі, що має принаймні один електричний контакт із кожним витком 7 робочого тіла 2. Як видно з Фіг. 1, початок і кінець електропровідного елемента 5 з'єднані з електричними контактами 6, 10 спірального термоелемента. Електропровідний елемент 5 може бути виконаний як у вигляді одного дроту, так й у вигляді джгута дротів. Електричний опір електропровідного елемента 5 бажано вибирати більшим за електричний опір робочого тіла 2. В якості матеріалу електропровідного елемента 5 використовується, наприклад, константан. 5 82885 На поверхні витка робочого тіла 2 розташовані металеві шунтувальні елементи 8, що мають електричний контакт із витком робочого тіла 2 й електропровідним елементом 5. У показаному на Фіг. 1 випадку виконання винаходу металеві шунтувальні елементи 8 мають електричний контакт із двома частинами бруска nі р-типу провідності. У конкретному випадку виконання винаходу, показаному на Фіг. 1, металеві шунтувальні елементи 8 виконані у вигляді пластин. В якості матеріалу пластин використовуються, наприклад, мідь й інші метали з високою електропровідністю. Робота пропонованого відповідно до винаходу спірального термоелемента заснована на відомому термоелектричному ефекті Зеєбека. При пропусканні через спіральний термоелемент теплового потоку Q у площині витків робочого тіла 2 уздовж границі розподілу 13 у кожній гілці 3, 9 цей потік викликає різницю температур між електричними контактами 1, 4. У кожному витку при цьому виникає термоЕРС, пропорційна зазначеній різниці температур. Внаслідок послідовного з'єднання витків 7 ЕРС всього спірального термоелемента дорівнює сумі термоЕРС витків 7 і пропорційна числу витків 7. ЕРС спірального термоелемента приводить до появи електричної напруги на контактах батареї 6, 10. Якщо при роботі спірального термоелемента відмовляють електричні контакти 1 або 4 між гіл Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 6 ками 3, 9, металевий елемент 8 шунтує контакт, що відмовив, внаслідок чого відмова контакту 1 або 4 приводить лише до деякого зменшення ЕРС спірального термоелемента, а не до повної відмови всього термоелемента. Якщо при роботі спірального термоелемента відбувається відмова гілок 3 та/або 9 то електропровідний елемент 5 шунтує гілку, яка відмовила, внаслідок чого відмова гілки приводить лише до зменшення ЕРС спірального термоелемента на величину термоЕРС однієї гілки, а не до повної відмови всього термоелемента. У випадку, коли електричний опір електропровідного елемента 5 більше електричного опору робочого тіла, при безвідмовній роботі гілки, наявність електропровідного елемента 5 не зменшує істотно термоЕРС, що виникає в гілці. Таким чином наявність електропровідного елемента 5 і металевих шунтувальних елементів 8 збільшує надійність і довговічність спірального термоелемента. Згідно із даним винаходом створений спіральний термоелемент розмірами 4х4х4 мм 3 з товщиною витка 0.35 мм і шириною паза між витками 0.15 мм. У цьому спіральному термоелементі використані екструдовані матеріали на основі теллурида вісмуту. Батарея розвиває напругу 1.2 В при перепаді температур 170 К. Випробування цього спірального термоелемента дозволили оцінити величину середнього наробітку на відмову на рівні 500 000 годин. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601