Термоелемент

1. Термоелемент, який виконано з основної речовини - матриці, що містить ниткоподібні вкраплення іншої речовини, електрична провідність якої значно вища електричної провідності матриці, вказані ниткоподібні вкраплення орієнтовані пара лельно між собою, але під кутом до двох пар протилежних граней термоелемента, одну з пар граней приведено в тепловий контакт з нагрівачем та холодильником, а до іншої - прикріплено електричні контакти з зовнішнім колом, який відрізняється тим, що грані, до яких кріпляться електричні контакти, орієнтовані паралельно ниткоподібним вкрапленням. 2. Термоелемент за п. 1, який відрізняється тим, що матриця та ниткоподібні вкраплення іншої речовини виконано з матеріалів, які відрізняються типом провідності. Корисна модель належить до термоелектричних перетворювачів енергії і може бути використана як джерело струму, термоелектричний холодильник та сенсор теплового потоку або різниці температур. Відомі термоелементи, в яких термоелектрорушійна сила виникає перпендикулярно до напрямку градієнта температури, а саме: анізотропний [1], короткозамкнутий анізотропний [2], шаруватий [3] та евтектичний [4, 5]. їх перевагою, порівняно з термопарами, є можливість збільшувати ЕРС термоелемента за рахунок збільшення його довжини або зменшення товщини термоелемента в напрямку температурного потоку. Серед цих відомих термоелементів найближчим до винаходу є евтектичний термоелемент [5]. Робоче тіло відомого евтектичного термоелемента виконано з основної речовини - матриці InSb, що містить ниткоподібні вкраплення іншої речовини, утворені евтектикою InSb-NiSb. Ниткоподібні вкраплення, електрична провідність яких значно вища електричної провідності матриці, паралельно орієнтовані між собою, але під кутом до двох пар протилежних граней, одну з пар приведено в тепловий контакт з нагрівачем та холодильником, а до іншої - прикріплено електричні контакти з зовнішнім полем. В основу роботи такого відомого термоелемента покладено ефект виникнення поперечних до теплового потоку термоелектрорушійних сил в анізотропних матеріалах, оскільки відомий евтектичний термоелемент має анізотропію термоелектричних та електричних властивостей вздовж напрямків паралельно та перпендикулярно до ниткоподібних вкраплень. Недоліком відомого евтектичного термоелемента є спотворення однорідності його характеристик поблизу площин, до яких кріпляться контакти, що приводить до зниження ККД та ефективності термоелемента. Цей недолік зумовлено, в першу чергу, шунтуванням торців термоелемента контактами. Крім того, неоднорідність викликана анізотропією електропровідності, яка зумовлює вигин струмових ліній в приконтактних областях. В результаті неоднорідного розподілу струму, згідно ефекту Бріджмена в одній із цих приконтактних областей виникає об'ємне поглинання, а в іншій виділення тепла, що зменшує ефективність відомого термоелемента. Іншим недоліком відомого евтектичного термоелемента є те, що ниткоподібні вкраплення виконано з евтектики InSb-NiSb, яка має низький коефіцієнт термоерс на рівні 20-30мкВ/К, що значно менше коефіцієнта термоерс матриці InSb. Внаслідок цього внесок ниткоподібних вкраплень у ЕРС термоелемента малий, що зменшує ЕРС та ККД відомого термоелемента. Метою даної корисної моделі є усунення цих недоліків відомих евтектичних термоелементів, а саме підвищення ЕРС, ККД та термоефективності. Для досягнення задачі корисної моделі у термоелементі, який виконано з основної речовини матриці, що містить ниткоподібні вкраплення іншої 00 a> 9787 речовини, електрична провідність якої відрізняється від електричної провідності матриці, вказані ниткоподібні вкраплення орієнтовані паралельно між собою, але під кутом до двох пар протилежних граней термоелемента, одну з пар граней приведено в тепловий контакт з нагрівачем та холодильником, а до іншої - прикріплено електричні контакти з зовнішнім полем, згідно до корисної моделі, грані робочого тіла, до яких кріпляться контакти, виготовлені паралельно ниткоподібним включенням. В конкретних варіантах виконання термоелемента крім вказаних вище вдосконалень, згідно до корисної моделі, матриця та ниткоподібні вкраплення іншої речовини виконано з матеріалів, які відрізняються типом провідності. Термоелемент, згідно до корисної моделі (Фіг.), виконано у вигляді бруска. У конкретному випадку, який зображено на Фіг., брусок є прямокутною призмою. Робоче тіло термоелемента виконано з різних матеріалів: основної речовини матриці - 1, та ниткоподібних вкраплень іншої речовини - 2. Електропровідність ниткоподібних вкраплень значно більша за електропровідність основної речовини. Дві протилежні грані термоелемента, 3 та паралельна їй 4, приведено в тепловий контакт з нагрівачем та охолоджувачем, температура яких Ті та Т% відповідно. Ниткоподібні вкраплення орієнтовані під кутом а до граней 3, 4 та паралельно орієнтовані між собою. До інших двох протилежних граней термоелемента, 5 та паралельної їй 6, кріпляться контакти 7 та 8 відповідно, з яких знімають електричну напругу. Дві протилежні грані термоелемента 3 та 4, як було описано вище, перебувають в тепловому контакті з охолоджувачем та нагрівачем відповідно, тобто градієнт температур перпендикулярний до вказаних вище площин. В робочому тілі термоелемента виникає вихрова складова термоелектричного поля, яка не скомпенсована електричним полем, внаслідок чого виникає вихровий електричний струм. Протікання такого струму в середовищі термоелемента з анізотропними властивостями призводить до виникнення поперечної до градієнта температури електрорушійної сили термоелемента. За рахунок специфічного орієнтування кон тактних площин, паралельно осям голок, зникають неізотермічні області поблизу контактів, які виникали в термоелементі з прямокутними торцями. В конкретних варіантах виконання термоелемента ниткоподібні вкраплення та матриця термоелемента володіють різними типами провідності, що дозволяє підвищити ЕРС та ККД термоелемента. Як відомо, ЕРС термоелемента, який складається з двох матеріалів, прямо пропорційна різниці коефіцієнтів термоерс складових матеріалів, а ККД - прямо пропорційна квадрату цієї різниці. Для підвищення ЕРС та ККД термоелемента доцільно вибирати складові матеріали так, щоб різниця їхніх коефіцієнтів термоерс була якомога більшою. Такими складовими матеріалами є матеріали з провідностями п- та р- типу. Для цього доцільно вибирати один з матеріалів р-типу, що має додатній коефіцієнт термоерс, а інший - n-типу, що має від'ємний коефіцієнт термоерс. Тоді ЕРС термоелемента пропорційна сумі абсолютних величин коефіцієнтів термоерс складових матеріалів, а ККД квадрату суми абсолютних величин коефіцієнтів термоерс складових матеріалів. Це призводить до збільшення ЕРС у 2 рази, а ККД у 4 рази порівняно з відомими евтектичними термоелементами. Список використаної літератури: 1. Самойлович А.Г., Слипченко В.Н. Эдс анизотропного термоелемента. - ФТП, 1975, 9, №3, с 594-596. 2. Анатычук Л.И., Димитращук ВТ., Пусте О.Я. Поперечная термоздс в короткозамкнутом анизотропном кристале. - ФТП, 1969, 3, №8, с. 12571259. 3. Бабин В.П., Гудкин Т.С., Дашевский З.М. и др. Искусственно-анизотропные термоэлементы и их предельные возможности. - ФТП, 1974, 8, №4, с. 748-751. 4. Wagini П., Weiss H. Die galvano- und thermomagnetischen Effecte des InSb-NiSb Eutektikums. - Solid State Electron., 1965, 8, №3, p. 241-254. 5. Проц И. В. Распределение потенциала в эвтектическом термоэлементе // Термоэлектричество//№1,2001 - с . 15-19. 9787 Фіг. Комп'ютерна верстка А. Крулевський Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ-42, 01601