Термоелемент

1. Термоелемент, що містить робоче тіло, яке складається з двох шарів матеріалів n- та р-типу 3 82930 у вигляді прямокутного бруска з монокристалічного матеріалу з анізотропією термоЕРС і орієнтований таким чином, щоб кристалографічні осі були у площині бруска та під кутом до граней бруска. Найбільш близьким до винаходу є дво шаровий анізотропний короткозамкнутий термоелемент, описаний у патентах US 295526, DE 2213925, FR 7209643, UK 1336980. Він являє собою двошарову пластину, кожен із шарів якої має анізотропію електропровідності. Границя розділу шарів орієнтована паралельно боковим граням термоелемента. Недоліком відомих короткозамкнути х термоелементів є низькі електрорушійна сила та коефіцієнт корисної дії. Цей недолік зумовлений втратами теплового потоку, який протікає по замикаючих провідниках, та наявністю контактних опорів. Оскільки замикаючі провідники металеві, то, відповідно, термоелектрична ефективність такого термоелемента менша, ніж у, наприклад, термопарних термоелементів, а отже, менший і коефіцієнт корисної дії. Недоліком двошарового анізотропного короткозамкнутого термоелемента є те, що його шари виготовляються з анізотропних кристалів, які мають різні значення електропровідності вздовж різних кристалографічних напрямків. У природі існує небагато типів кристалів, придатних для виготовлення двошарового анізотропного короткозамкнутого термоелемента. Крім того, у таких анізотропних матеріалів термоелектрична ефективність у кілька десятків разів менша, ніж у термопарних термоелементів. Метою винаходу є усунення недоліків відомих короткозамкнутих термоелементів, а саме підвищення вихідної напруги та коефіцієнта корисної дії. Ця мета досягається тим, що у термоелементі, який включає: - робоче тіло, що складається з двох шарів матеріалів n- та p-типів провідності з границею розділу між вказаними шарами матеріалів, на якій вказані шари з'єднані електричне, - два електричні контакти для з'єднання термоелемента із зовнішнім електричним колом, розташовані на двох протилежних, перпендикулярних до границі розділу шарів, гранях робочого тіла, - причому принаймні один із шарів робочого тіла пропонованого термоелемента має періодичну профільну зовнішню поверхню з системою паралельних заглибин та ребер, які утворюють гострий кут із лінією, що з'єднує електричні контакти термоелемента, причому даний кут менший 45°. Сутність винаходу пояснюється його описом та кресленням, де зображено загальний вигляд термоелемента. Термоелемент, як показано на Фіг.1, включає робоче тіло 1 у вигляді бруска, що складається з двох шарів n- та p-типів провідності 2 і 3. Шар 2 робочого тіла 1 має періодичну профільну поверхню із системою ребер 4 та заглибин 5. На двох протилежних, перпендикулярних до границі розділу шарів, гранях робочого тіла розташовано два електричні контакти б і 7, через які термоелемент 4 з'єднується із зовнішнім електричним колом для протікання електричного струму. Бічна поверхня робочого тіла 1 має грані 8 та 9 для розташування джерел тепла та витоків тепла, відповідно, які в залежності від застосування термоелемента можуть мати різну конструкцію. Як і у відомих термоелементах, такими джерелами і витоками можуть бути різноманітні термостати, радіатори, тепловідводи, нагрівачі і охолоджувачі, колектори випромінювання тощо. Для більшої ясності сутності винаходу на Фіг.2 зображено шари 2 та 3 робочого тіла 1 окремо. Істотною відмінністю пропонованого термоелемента від відомих короткозамкнутих термоелементів є те, що його робоче тіло 1 виготовлено з шарів n- та p-типів провідності 2 і 3, причому шар 2 має профільну поверхню з системою ребер 4 та заглибин 5, що відіграють роль замикаючих провідників, аналогічно відомим короткозамкнутим термоелементам. Робота такого термоелемента в режимі генерації електричної енергії базується на термоелектричному ефекті Зеєбека. При протіканні теплового потоку через робоче тіло 1 від гарячої грані 8 до холодної 9 у термоелементі між бічними гранями робочого тіла 1 виникає різниця температур, за рахунок якої утворюється поперечна тепловому потоку термоЕРС. Величина поперечної термоЕРС Е^ може бути подана у вигляді a E^ = D aD T f (j, n ) , b де DT - різниця температур на термоелементі; Da - різниця коефіцієнтів Зеєбека матеріалів шарів 2 і 3 робочого тіла 1; f(j, n) - функція від кута нахилу замикаючих елементів (ребер) 4 j до гарячої грані термоелемента 8 та числа періодів профілю шару 2 п на одиницю довжини термоелемента а, b - віддаль між гарячою 8 та холодною 9 гранями термоелемента. Було розраховано термоелемент розмірами 0.4´0.25´10мм 3 з матеріалів на основі Ві 2Те3. При різниці температур 100К його поперечна термоЕРС досягала 60мВ. Коефіцієнт корисної дії такого термоелемента складала при цьому 3.4%, що вдвічі перевищує ККД прототипу з CdSb - ZnSb аналогічних габаритів. Дослідження поперечної термоЕРС термоелемента показали, що її величина в залежності від контрасту електропровідностей шарів 2 та 3 досягає максимального значення у випадку, коли електропровідність профільованого шару 2 вдвічі більша за електропровідність шару 3. Крім того, величина поперечної термоЕРС має оптимум в залежності від кута нахилу замикаючих елементів (ребер) 4 до гарячої грані термоелемента 8 при j = 15°. Даний термоелемент за рахунок своєї унікальної форми і внаслідок дії в ньому ефекту Зеєбека в режимі генерації має більшу в порівнянні з анізотропними термоелементами поперечну термоЕРС, а відповідно і ККД. 5 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 82930 6 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