Спосіб визначення термоелектричної добротності термобатареї

Реферат: Спосіб визначення термоелектричної добротності термобатареї, затиснутої між нагрівачем і охолоджувачем, включає подачу теплових потоків на термобатарею в короткозамкненому та розімкнутому станах. Встановлюють режим короткого замикання, для якого вимірюється тепловий потік, потім електрорушійну силу в момент розімкнення електричного кола. Встановлюють режим роботи термобатареї в розімкненому стані, при якому шляхом зміни теплового потоку електрорушійна сила термобатареї встановлюється такою ж, як і при короткозамкненому режимі. За допомогою охолоджувача регулюють температури гарячого та холодного спаїв, щоб вони стали такими ж, як і в короткозамкненому стані. Вимірюють тепловий потік в розімкненому стані. За аналітичною залежністю визначають термоелектричну добротність термобатареї. UA 71171 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОЇ ДОБРОТНОСТІ ТЕРМОБАТАРЕЇ UA 71171 U UA 71171 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до області прямого перетворення теплової енергії в електричну і може бути використана для визначення термоелектричної добротності термоелектричних батарей, що серійно випускаються. Відомий спосіб для визначення термоелектричної ефективності термоелементів без вимірювання перепаду температур на спаях (Іоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М-Л., 1960. - С. 67), в якому вимірюють електрорушійну силу та різницю потенціалів, а величину добротності обчислюють за формулою U ZT   , U де Т - термодинамічна температура об'єкта; U - безінерційна складова напруги на клемах, що визначається омічним опором термоелемента; U - інерційна складова викликана ефектом Пельтьє-Зеебека за рахунок встановлення перепаду температур і відповідно термоЕРС. Недоліком даного способу є те, що в ньому необхідно подавати струм на термоелемент та стабілізувати його, що впливає на точність вимірювань. Відомий спосіб для визначення термоелектричної добротності термобатарей (Gao Min, David Rowe. A novel hrinciple allowing rapid and accurate measurement of a dimensionless thermoelectric figure of merit. Meas. Sci. Technol. 12 (2001) 1261-1262), найбільш близький до запропонованого, в якому між нагрівачем і охолоджувачем затиснута термобатарея, на яку подається тепловий потік в короткозамкненому та розімкнутому станах, для яких вимірюються різниці температур на спаях термобатареї ΔTz та ΔT0, а величину добротності обчислюють за формулою T0 ZT   1, Tz де ΔТ0 - різниця температур на спаях в розімкнутому стані; ΔТz - різниця температур на спаях в короткозамкненому стані. Недоліками даного способу є те, що при переході від одного режиму до іншого змінюється рівень температур, і як наслідок, змінюються властивості термобатареї, а також технічно складно вимірювати різницю температур на спаях термобатареї. Задача корисної моделі - визначення термоелектричної добротності термоелектричної батареї на основі вимірювання теплових потоків в короткозамкненому та розімкнутому станах. Поставлена задача вирішується тим, що у способі визначення термоелектричної добротності термобатареї затиснутої між нагрівачем і охолоджувачем шляхом подачі теплових потоків на термобатарею в короткозамкненому та розімкнутому станах, на початку встановлюється режим короткого замикання для якого вимірюється тепловий потік Qz, потім електрорушійна сила в момент розімкнення електричного кола, далі встановлюють режим роботи термобатареї в розімкненому стані, при якому шляхом зміни теплового потоку електрорушійна сила термобатареї встановлюється такою ж як і при короткозамкненому режимі, за допомогою охолоджувача регулюють температури гарячого та холодного спаїв, щоб вони стали такими ж як і в короткозамкненому стані, та вимірюють тепловий потік в розімкненому стані Q0, а за аналітичною залежністю ZT  Q z  1 визначають термоелектричну Q0 добротність термобатареї. Запропонований спосіб дає можливість визначити термоелектричну добротність термоелектричної батареї за величинами теплових потоків в короткозамкненому та розімкненому станах, що дозволить підвищити точність визначення властивостей власне напівпровідникових матеріалів без порушення цілісності термобатареї. Суть способу полягає в наступному. Кількість тепла, що проходить через гарячий Qh та холодний Qc спаї термобатареї при заданих температурах гарячого Th та холодного Тс спаїв, визначається: 1 Qh  k t Th  Tc   IATh  I2R ; (1) 2 1 Q c  k t Th  Tc   IATc  I2R , (2) 2 де kt - теплопровідність напівпровідникового шару; I - сила струму; A - коефіцієнт електрорушійної сили термобатареї; R - електричний опір термобатареї. Розглядається два режими роботи термобатареї, які визначаються тільки властивостями термобатареї, у стані розімкнутого електричного кола I0=0, та в стані коротко замкнутого, для якого сила струму буде 1 UA 71171 U 5 Iz=A(Th-Tc)/R (3) В обох режимах термобатарея не генерує і не споживає енергії з зовні, тому теплові потоки через гарячий та холодний спаї будуть однакові. Для теплового потоку при відсутності струму з (1) отримаємо Q0=kt(Th-Tc). Для стану короткозамкненого враховуючи (1) і (3) отримаємо  A 2 Th  Tc  Q z  k t Th  Tc 1  . 2   k tR   2 T  Tc Враховуючи, що A  Z та позначаючи середню температуру T  h , для теплового 2 k tR потоку, маємо 10 15 20 25 30 35 40 45 50   Q z  Q 0 1  ZT ; звідки Q ZT  z  1 . Q0 Вимірювання запропонованим способом здійснюються наступним чином. За допомогою нагрівача та охолоджувача встановлюють вибраний діапазон температур в режимі короткого замикання термобатареї, для якого вимірюється тепловий потік Qz через термобатарею. Після чого в момент розімкнення електричного кола термобатареї вимірюють діючу електрорушійну силу. Далі, шляхом зміни теплового потоку, встановлюється режим роботи термобатареї в розімкненому стані, такий, що електрорушійна сила встановлюється такою ж як і для режиму короткого замикання. Потім за допомогою охолоджувача регулюють температури гарячого та холодного спаїв термобатареї, щоб вони стали такими ж як і в короткозамкненому стані. Після досягнення такого режиму вимірюють тепловий потік Q0 в розімкненому стані. На кресленні схематично зображено пристрій, що реалізує спосіб. Пристрій складається з досліджуваної термобатареї 1, що затиснута між теплопровідними вставками 2, нагрівача 3 з тепловою ізоляцією 4, який створює тепловий потік через термобатарею з теплопровідними вставками, охолоджувача 5, для відводу теплоти від термобатареї, опорного фланця 6, вантажу 7, що прижимає термобатарею, теплопровідні вставки, нагрівач, охолоджувач один до одного та до фланця для покращення теплового контакту, датчиків температури 8, джерела живлення 9, ватметра 10, вольтметра 11, ключа 12. Пристрій працює наступним чином. В режимі короткого замикання термобатареї від джерела живлення 9 на нагрівач 3 подається електричний струм і встановлюється вибраний діапазон температур, який контролюється датчиками температури 8. Після чого вимірюється тепловий потік через термобатарею. Ключем 12 розмикають електричне коло та в цей момент вимірюють діючу електрорушійну силу. В режимі розімкненого електричного кола за допомогою джерела живлення 9 змінюють тепловий потік так, щоб електрорушійна сила стала такою ж як і для режиму короткого замикання. Охолоджувачем 5 регулюють температури гарячого та холодного спаїв термобатареї, щоб вони стали такими ж як і в режимі короткого замикання. Після чого вимірюють тепловий потік в розімкненому стані. Запропонований спосіб дає можливість визначити термоелектричну добротність термоелектричної батареї за величинами теплових потоків в короткозамкненому та розімкненому станах, що дозволить підвищити точність визначення властивостей власне напівпровідникових матеріалів без порушення цілісності термобатареї. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб визначення термоелектричної добротності термобатареї, затиснутої між нагрівачем і охолоджувачем, шляхом подачі теплових потоків на термобатарею в короткозамкненому та розімкнутому станах, який відрізняється тим, що спочатку встановлюють режим короткого замикання, для якого вимірюється тепловий потік Q z , потім електрорушійну силу в момент розімкнення електричного кола, далі встановлюють режим роботи термобатареї в розімкненому стані, при якому шляхом зміни теплового потоку електрорушійна сила термобатареї встановлюється такою ж, як і при короткозамкненому режимі, за допомогою охолоджувача регулюють температури гарячого та холодного спаїв, щоб вони стали такими ж, як і в 2 UA 71171 U короткозамкненому стані, та вимірюють тепловий потік в розімкненому стані Q0 , а за аналітичною залежністю ZT  Qz  1 визначають термоелектричну добротність термобатареї. Q0 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3