Гальваномагнітний охолоджувач

Гальваномагнітний охолоджувач, який складається з розташованих між полюсами магніту термостатованого корпуса, електропідводів та двох однакових гілок, які однією парою своїх торцевих граней електрично з'єднані між собою, а другою парою протилежно розташованих торцевих граней знаходяться у електричному контакті з термостатованими електропідводами, який відрізняється тим, що гілки одна відносно одної повернуто навколо своєї довжини на кут 180° та виконуються з термоелектричного матеріалу, для якого Корисна модель відноситься до гальванотермомагнітних приладів і знайде застосування в приладобудуванні у галузі взаємного перетворення електричної і теплової енергій. Він призначений для охолодження різних об'єктів науки та техніки. Відомо пристрої, що складаються з гілок р- та n-типів провідності, а також електрокомутуючих пластин, термостатів і розміщених у полі дії магніту [1]. Вони перетворюють електричну енергію у теплову енергію, частина якої іде на охолодження. Із існуючих аналогів найбільш близьким по технічній суті є гальванотермомагнітний охолоджувач, який працює при азотних температурах [2]. Він складається з двох однакових, розташованих взаємнопаралельно гілок р та n-типів провідності з відповідних матеріалів. У верхній частині торцеві грані гілок з'єднані за допомогою електрокомутуючої пластини з малим опором. Нижні торцеві грані з'єднані з розділеними пластинами, що знаходяться у тепловому контакті з термостатом. Гілки розташовані між полюсами магніту таким чином, що магнітні силові лінії перпендикулярні до площини бічних граней. Проходження електричного струму через такий пристрій веде до охолодження його верхньої торцевої грані. у робочому інтервалі температур виконується співвідношення q T = q G + q t , а величина електричного струму І, що протікає через охолоджувач, вибирається в межах 2 _ "iSa . (2 _ ЛЬа де q T , q G - питомі теплоти Томсона і Джоуля, q t , питоме тепло, яке обумовлене теплопровідністю 5а матеріалу гілок, z = — кр . _ термомагнітна доброт — - внутрішній опір охолоджуЬс вача, 5а = [а-|(-Н) - а 2 (Н)]. ність, R, = Такий охолоджувач характеризується невеликою глибиною охолодження (3-5 К при 80 К), а його застосування обмежує можливості пристроїв на його основі. Тому досить актуальним є завдання створення гальванотермомагнітних охолоджувачів з більшою глибиною охолодження. Вказане завдання реалізується тим, що гальваномагнітний охолоджувач складається з розташованих між полюсами магніту термостатованого корпуса, електропідводів та двох однакових гілок, які однією парою своїх торцевих граней електричне з'єднані між собою, а другою парою протилежно розташованих торцевих граней знаходяться у електричному контакті з термостатованими електропідводами, причому гілки одна відносно другої повернуто навколо своєї довжини на кут 180° та виконуються з термоелектричного матеріалу, для якого у робочому інтервалі температур виконується співвідношення q T = q G + q t величина електричного струму І, що протікає через охолоджувач, ,. . 2 _ _ . 8а . . 2 _ v 8a вибирається в межах ( — 2 Т 0 ) — < І < ( — Т о ) — , $2 """' LO 0) CNI (@ р ZZ^ f ^|* ^ * ST ^ 6295 де q x ,q G - питомі теплоти Томсона і Джоуля, q t питоме тепло, яке обумовлене теплопровідністю 5а 2 матеріалу гілок, z = термомагнітна доброткр нють, R, = (p-j + р2) внутрішній опір охолоджуЬс вача, 5а = [а^-Н) - а 2 (Н)]. Відповідність критерію "новизна" запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному із об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для гальванотермомагнітних охолоджувачів, яке полягає в тому, що гальваномагнітний охолоджувач складається з розташованих між полюсами магніту термостатованого корпуса, електропідводів та двох однакових гілок, які однією парою своїх торцевих граней електричне з'єднані між собою, а другою парою протилежно розташованих торцевих граней знаходяться у електричному контакті з термостатованими електропідводами, причому гілки одна відносно другої повернуто навколо своєї довжини на кут 180° та виконуються з термоелектричного матеріалу, для якого у робочому інтервалі температур виконується співвідношення q T = q G + q t , а величина електричного струму І, що протікає через охолоджувач, вибира.2 _ т . 5а . ,2 . 5а ється в межах ( — 2Т 0 )— < І < ( —т Т о ) — , де R, R, q T ,q G - питомі теплоти Томсона і Джоуля, qt - питоме тепло, яке обумовлене теплопровідністю 5а 2 матеріалу гілок, z = термомагнітна доброткр ність, R, = (рі +Р2) я внутрішній опір охолоджуЬс вача, 5а = [аі(-Н)-а 2 (Н)]. Тому ознака, яка не міститься ні в одному з аналогів - "гілки одна відносно другої повернуто навколо своєї довжини на кут 180° та виконуються з кристалічно орієнтованого матеріалу, для якого у робочому інтервалі температур виконується співвідношення q x = q G + q t , а величина електричного струму І, що протікає через охолоджувач, вибирається в межах ,2 „ , 5 а . ,2 _ . 5 а ( — 2Т 0 )— < І < ( — То)—- , де q x ,q G питомі тепZ Н| Z Н| лоти Томсона і Джоуля, qt - питоме тепло, яке обумовлене теплопровідністю матеріалу гілок, Z =• добротність, термомагнітна kp R,=(Pi+p 2 )— - внутрішній опір охолоджувача, be 5а = [аі(-Н)-а 2 (Н)] забезпечує заявленому пристрою необхідний "винахідницький" рівень. Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій та матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного профілю. На Фіг. представлено схематичну конструкцію гальванотермомагнітного охолоджувача. Запропонований охолоджувач містить гілки 1 та 2, які виконані у вигляді прямокутних паралелепіпедів довжиною а та розмірами (b x с) у поперечному перерізі з одного і того ж матеріалу, наприклад, кристалів вісмуту. Напрямок довжини гілок співпадає з напрямком, який орієнтовано під кутами 10° до бінарної та 80° до бісекторної осей в бінар-бісекторній площині монокристалів вісмуту. Гілка 2 повернута навколо своєї довжини на кут 180° і електричне з'єднана з гілкою 1 торцевими гранями (Ь х с). Протилежні торцеві грані гілок 1 та 2 (Ь х с) приєднано до термостатованих при температурі То електропідводів 3, через які в подальшому пропускається робочий електричний струм І. Верхній електропідвод 3 закріплено до внутрішньої стінки електричного корпуса 4, а нижній електропідвод 3 проходить через діелектричну втулку 7, що дає можливість демпфувати зміну геометричних розмірів гілок 1, 2 та електропідводів 3 внаслідок зміни температури охолоджувача. Корпус 4 разом з гілками 1, 2 та електропідводами 3 розташовується між полюсами магніту 5. Контроль температур Ті,То проводиться за допомогою термопар 8. Параметри кристалу вісмуту, з якого виготовляються гілки 1 та 2 вибираються таким чином, щоб виконувалося співвідношення q x < q G + q t , де q x ,q G - питомі теплоти Томсона і Джоуля, qt - питоме тепло, яке обумовлене теплопровідністю матеріалу гілок. Виконання цих умов дає можливість у випадку проходження струму І компенсувати об'ємні позитивні теплоти Джоуля та теплопровідності негативним теплом Томсона. Запропонований охолоджувач працює наступним чином: електричний струм І за допомогою електропідводів 3 проходить через гілки 1 і 2 та, внаслідок сукупної дії ефектів теплопровідності, Джоуля, Томсона та Пельтьє, охолоджує центральний спай гілок 1 та 2. Причому глибина охолодження AT = То - T j , представляється наступним виразом: 5а 5а де z= 2 z' . термомагнітна добротність, kp R ( =(p 1 +p 2 )— - внутрішній опір охолоджувача, be 5а=[а 1 (-Н)-а 2 (Н)]. Проведені дослідження показали, що оптимальні значення електричного струму, який протікає через охолоджувач, знаходяться в наступних межах: (--2Т ) — (--Т ) — z R, z R, У випадку, коли 5а = 51СГ4В/К~1,р = 10~3Омсм, к=10"1 Вт(см К"1), — = 10~1, То=8О К. be z = 2,510"3K"1,R,=210"3 В Ом цьому і, випадку відповідно, 6295 16