Термоелемент

1. Термоелемент з робочим тілом у вигляді бруска, який складається з трьох шарів матеріалів різного типу провідності, які електрично контактують вздовж границі розділу шарів, та який має два 3 85293 термоелектричного матеріалу n та р - типів провідності, які мають анізотропію електропровідності. На верхній та нижній гранях брусків розміщені електричні контакти, які з'єднані між собою провідниками. 4. Анізотропний термоелемент поперечного типу, описаний у [патенті UK 1088764], який виконаний 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 короткозамкнений термоелемент з навкісним замиканням, описаний у [книзі Л. І. Анатичука „Термоэлементы и термоэлектрические устройства", Київ: Наукова думка, 1979. - C.766], який являє собою брусок з ізотропного матеріалу. На верхній та нижній гранях бруска встановлені лінійні електричні контакти, які з'єднані таким чином, що замикаючі провідники утворюють з віссю x кут відмінний від нуля та p/2. Недоліком відомих короткозамкнених термоелементів є низька електрорушійна сила та низький коефіцієнт корисної дії. Цей недолік зумовлений тим, що у даних термоелементах мають місце втрати теплового потоку, що протікає по замикаючих провідниках, наявність контактних опорів. Оскільки замикаючі провідники металеві, то відповідно термоелектрична ефективність такого термоелемента менша ніж у, наприклад, термопарних термоелементів, а отже, і менший коефіцієнт корисної дії. Недоліком двошарового анізотропного короткозамкненого термоелемента є те, що шари термоелемента виготовляються з анізотропних кристалів, які мають різні значення електропровідності вздовж різних кристалографічних напрямків. У природі існує небагато типів кристалів, які придатні для виготовлення двошарового анізотропного короткозамкненого термоелемента. Крім того, у таких анізотропних матеріалів термоелектрична ефективність у кілька десятків разів менша, ніж у термопарних термоелементів. Метою винаходу є усунення цих недоліків відомих короткозамкнених термоелементів, а саме підвищення вихідної напруги та коефіцієнта корисної дії термоелементів. Ця мета досягається тим, що у термоелементі, який включає: - робоче тіло, що складається з трьох шарів матеріалів різного типу провідності, які електрично контактують вздовж границі розділу шарів, - два електричні контакти для з'єднання термоелемента із зовнішнім електричним колом, які розташовані на двох протилежних, перпендикулярних до границі розділу шарів, гранях робочого тіла, - ділянки поверхні робочого тіла для розташування джерел та витоків тепла, згідно винаходу, два зовнішніх шари робочого тіла термоелемента мають профільовану зовнішню поверхню із множиною заглибин та ребер. В деяких випадках здійснення винаходу заглибини та ребра шарів робочого тіла термоелемента 4 паралельні і утворюють гострий кут із лінією, що з'єднує електричні контакти термоелемента. У інших випадках виконання винаходу заглибини та ребра зовнішніх шарів робочого тіла термоелемента нахилені під однаковими кутами до ділянок поверхні робочого тіла для розташування джерел та витоків тепла. Сутність винаходу пояснюється його описом та кресленнями, де зображено на Фіг.1 - загальний вигляд тришарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею, на Фіг.2 - вигляд термоелемента в площині YZ. Термоелемент, згідно винаходу, як показано на Фіг.1, включає робоче тіло 1 у вигляді бруска, що складається послідовно з трьох шарів n-р-n або р-n-р типів провідності 2, 3 і 4. Шари 2 та 4 робочого тіла 1 мають періодичну профільну поверхню з системою ребер 5 та заглибин 6. На двох протилежних, перпендикулярних до границі розділу шарів, гранях робочого тіла розташовано два електричні контакти 7 і 8, через які термоелемент з'єднується з зовнішнім електричним колом для протікання електричного струму. Бічна поверхня робочого тіла 1 має грань 9 для розташування джерел тепла, а також грань 10 (Фіг.2) для розташування витоків тепла. Джерела і витоки тепла 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. Істотною відмінністю запропонованого термоелемента від відомих короткозамкнених термоелементів є те, що робоче тіло 1 термоелемента виготовлено з розташованих послідовно шарів n-рn або р-n-р типів провідності 2, 3 і 4, причому шари 2 та 4 мають профільну поверхню з системою ребер 5 та заглибин 6, що відіграють роль замикаючих провідників, аналогічно відомим короткозамкненим термоелементам. Робота термоелемента в режимі генерації електричної енергії, згідно винаходу, базується на термоелектричному ефекті Зеєбека. При протіканні теплового потоку через робоче тіло 1 від гарячої грані термоелемента 9 до холодної 10 у ньому між бічними гранями робочого тіла 1 виникає різниця температур, за рахунок якої утворюється поперечна тепловому потоку термоЕРС. Величина поперечної термоЕРС E1 може бути подана у вигляді a E ^ = Da DT f (j, n ) b де ΔT - різниця температур на термоелементі; Δα - різниця коефіцієнтів Зеєбека матеріалів шарів 2, 3 та 4 робочого тіла 1; f(φ,n) - функція від кута нахилу замикаючих елементів (ребер) 5 φ до гарячої грані термоелемента 9 та числа періодів профілю шарів 2 та 4 n на одиницю довжини термоелемента а; b - віддаль між гарячою 9 та холодною 10 гранями термоелемента. Згідно винаходу було розраховано термоелемент розмірами 0,6х0,25х7,5мм 3 з матеріалів на основі Ві2Тe3. При різниці температур 100К поперечна термоЕРС термоелемента досягала 76мВ. 5 85293 Дослідження поперечної термоЕРС термоелемента, виконаного згідно до винаходу показали, що величина термоЕРС в залежності від контрасту електропровідностей шарів 2, 3 та 4 термоелемента суттєво залежить від геометрії профільованих шарів 2 і 4 його робочого тіла 1. Крім того, величина поперечної термоЕРС запропонованого термоелемента має оптимум в залеж Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 6 ності від кута нахилу замикаючих елементів (ребер) 5 до гарячої грані термоелемента 9 при φ=20°. 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. Підписне Тираж 28 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