Термоелектричні гілки з нанопорошків bi2te3 n-типу провідності

Реферат: UA 90765 U UA 90765 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до термоелектрики і може бути використана у виготовленні гілок n-типу провідності із термоелектричних порошкових матеріалів на основі Вi2Тe3 для генераторних та охолоджувальних термоелементів і модулів на їх основі, що застосовуються для прямого перетворення теплової енергії в електричну або для термоелектричного охолодження. Існуючі гілки із функціонально-градієнтних термоелектричних матеріалів (ФГТМ) на основі Ві-Те з метою досягнення максимального ККД, генерованої потужності при роботі на узгоджене навантаження або холодильного коефіцієнта мають спеціальним чином оптимізований нерівномірний розподіл домішок вздовж їх висоти у відповідності з певним, наприклад, квадратичним, законом [1], узгодженим з розподілом температур вздовж гілки. Це дозволяє створювати, зокрема, генераторні модулі з робочим діапазоном температур 30 °С–250 °С, які мають ККД перетворення в 1,25-1,3 рази вищий за ККД модулів з однорідних матеріалів [2]. Недоліками гілок з таких функціонально-градієнтних матеріалів є технологічна складність досягнення потрібного розподілу концентрації домішок вздовж висоти гілки і поступова часова еволюція цього розподілу до рівномірного внаслідок дифузії під час роботи генераторних модулів протягом тривалого терміну за умов підвищених температур. Із відомих аналогів найбільш близькими за характеристиками є гілки з наведених в [3] об'ємних наноструктурованих матеріалів (ОНСМ), отриманих з нанопорошків твердих розчинів або аморфної фази матеріалів на основі Ві-Те шляхом гарячого пресування, екструзії, або іскрового плазмового спікання. Недоліком таких гілок є те, що гранулометричний склад порошків при цьому не оптимізується і не узгоджений з розподілом температур вздовж висоти гілок як це має місце у гілках з ФГТМ. Це не дозволяє досягти максимальної безрозмірної термоелектричної добротності ОНСМ або навіть зберегти її на рівні, характерному для монокристалу [4]. Тому актуальною є задача пошуку таких шляхів підвищення добротності ОНСМ для термоелектричних гілок та вихідних енергетичних характеристик виготовлених на їх основі генераторних та холодильних модулів, які б забезпечували максимальне використання переваг класичних розмірних ефектів [5, 6]. Поставлена задача вирішується тим, що для генераторних та охолоджувальних термоелементів запропоновано гілки n-типу провідності на основі оптимізованих матеріалів з нанопорошків змінного гранулометричного складу, виготовлених з кристалів твердих розчинів Ві-Те, які відрізняються тим, що розподіл частинок нанопорошку за радіусом r є розподілом 2 2 Релея з густиною імовірності w(r)=(r/r0)exp(-r /2r0 ) і найбільш імовірний радіус r0 (в нанометрах) наночастинок змінюється з температурою вздовж гілки за законом: 168,5 r0   . 1,3    75  1  0,1   8,03  Відповідність критерію "новизна" запропонованим гілкам для термоелементів забезпечує та обставина, що в існуючому на момент подання заявки рівні техніки відсутній об'єкт, який співпадає за сукупністю ознак з об'єктом, що заявляється. З існуючого рівня техніки також не випливає однозначна можливість підвищення ККД генераторних модулів шляхом застосування нанопорошків з матеріалів на основі Ві-Те без оптимізації їх гранулометричного складу. До такого висновку нас привели результати виконання пошуку та аналізу патентної і науковотехнічної інформації та значного об'єму теоретико-фізичних досліджень. Промислове застосування запропонованих гілок термоелементів не вимагає спеціальних технологій та прийомів. Їх виготовлення можливе на існуючих підприємствах електронної промисловості. На фіг. 1, 2 представлено графіки температурних залежностей оптимального найбільш імовірного радіуса г0 частинок ОНСМ на основі Ві2Те3 n-типу провідності (фіг. 1) та відповідного йому рівня безрозмірної термоелектричної добротності відносно монокристалу (ZT)/(ZT)моно, (фіг. 2), які необхідно реалізувати у заявлених гілках з матеріалів на основі нанопорошків змінної крупності. Такі залежності були отримані шляхом застосування комп'ютерних методів, що базуються на розробленій теорії класичних розмірних ефектів в ОНСМ [6]. Проведені розрахунки показали, що застосування запропонованих гілок з ОНСМ n-типу провідності дозволяє підвищити значення безрозмірної термоелектричної добротності ОНСМ в порівнянні з монокристалом в діапазоні температур 75-600К в 1,2-1,7 разу (фіг. 2). Література: 1 UA 90765 U 5 10 15 1. Патент на корисну модель UA 23851. Україна. МПК H01L35/12. Термоелектричні гілки із функціонально-градієнтних матеріалів на основі Bi-Te-Se-Sb / Л.І. Анатичук, Л.М. Вихор (Україна). - Заявка u200700654 від 22.01.2007; опубл. 11.06.2007, бюл. № 8. - 2с. 2. Анатычук Л.И., Вихор Л.Н. Термоэлектричество, том IV. Функционально-градиентные термоэлектрические материалы.- Институт термоэлектричества, Черновцы, 2012, 180 с. 3. Blank V.D., Pivovarov G.I., Popov M.Y., Tatyanin E.V. Thermoelectric nanocomposite, method for making the nanocomposite and application of the nanocomposite. Patent of USA No 0108774 Al. Patented May 12, 2011, Int. Cl. H01B 1/00. 4. Fan S., Zhao J., Guo J., Yan Q., Ma J., Hang H.H. Influence of Nanoinclusions on Thermoelectric Properties of n-type Bi2Te3 Nanocomposites. // Journal of Electronic materials. - 2011. - 40, № 5. - P. 1018-1023. 5. Горський П.В., Михальченко В.П. До питання про механізм збільшення термоелектричної добротності об'ємних наноструктурованих матеріалів. // Термоелектрика. - 2013. - № 5. - С. 5-10. 6. Горський П.В., Михальченко В.П. Про вплив способу усереднення кінетичних коефіцієнтів за розмірами часток на прогнозовану добротність наноструктурованого термоелектричного матеріалу. // Термоелектрика. -2013. - № 4. - С. 5-11. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Термоелектричні гілки для охолоджувальних та генераторних термоелементів на основі оптимізованих наноструктурованих матеріалів з порошків Ві2Те3 n-типу провідності, які відрізняються тим, що крупність порошку змінюється вздовж висоти гілки таким чином, щоб найбільш імовірний радіус r0 (в нанометрах) наночастинок порошку змінювався з температурою вздовж гілки за законом: 168,5 r0   . 1,3    75  1  0,1   8,03  2 UA 90765 U Комп’ютерна верстка В. Мацело 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