Спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї

Реферат: UA 93217 U UA 93217 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонована корисна модель належить до галузі термоелектрики, зокрема до способу виготовлення термоелектричних мікробатарей, які можуть застосовуватися як для генерації електричної енергії (термоелектричні мікрогенератори), так і для термоелектричного охолодження або нагріву, а також для пристроїв вимірювальної техніки. Відомо, що ще на перших етапах проектування термоелектричних мікрогенераторів (наприклад для живлення малопотужних електронних пристроїв, систем телеметрії, навігації, ІЧ-детекторів, а також для живлення військової та медичної техніки) було встановлено, що термоелектричні батареї для них повинні мати незвичайну конструкцію, яка суттєво відрізняється від традиційних генераторних модулів [1-3]. Наприклад для ізотопних термоелектричних мікрогенераторів з електричною потужністю у діапазоні 0,05-2,5 Вт, перепадом температур на модулі 100-200 K і робочою напругою 5-15 В необхідно використовувати гілки батарей довжиною до 10-20 мм з перерізом від 0,2×0,2 мм до 0,5×0,5 мм. Однак для живлення малопотужної медичної апаратури при малих перепадах температур на модулі до 10 K та електричній потужності у діапазоні 0,05-5 мВт необхідно використовувати гілки батарей з перерізом від 0,02×0,02 мм до 1×1 мм. При цьому кількість гілок у термоелектричній батареї має бути від кількох сотень до кількох тисяч і більше. Виконання таких вимог - досить складна технологічна задача. Спроби створення таких мікробатарей зводились до використання плівкових технологій [4]. Були створені плівкові термобатареї у вигляді стрічок, які потім можна згорнути у компактний рулон. Для виготовлення таких батарей використовувались магнетронне напилення та інші технології в сукупності з методами фотолітографії. У батареях були використані термоелектричні матеріали на основі Ві-Те. Однак результати випробувань плівкових термобатарей виявили низку їх суттєвих недоліків: підкладки, на яких формувалися термобатареї, шунтували тепловий потік, що призводило до зниження ККД; різний коефіцієнт лінійного розширення плівок і підкладки (зазвичай поліемід, 5 мкм) призводив до виникнення термічних напружень у термобатареях, що сприяло відмовам під час їх роботи; процеси рекристалізації у плівках призводили до деградації батарей і погіршення їх термоелектричних властивостей; створення надійних теплових контактів між термобатареєю, джерелом тепла і корпусом викликало труднощі, що призводило до додаткових втрат різниці температур на гранях термоелектричної батареї. Сукупність перерахованих вище проблем врешті призвела до відмови від застосування плівкових батарей у термоелектричних мікрогенераторах. Тому задачею запропонованої корисної моделі є розробка спеціальної технології спільного формування гілок малого перерізу від 0,02×0,02 мм до 1,0×1,0 мм та їх компонування у термоелектричні мікробатареї. Технологію виготовлення таких термоелектричних мікробатарей з довжиною гілок до 30 мм наведено в даному патенті. Запропонований спосіб значно спрощує та механізує методику виготовлення термоелектричної мікробатареї з великою кількістю гілок n- і р-типу провідності. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї включає підготовку пластин n- і р-типу провідності з нанесенням на торцеві поверхні антидифузійних шарів, виготовлення прорізів у цих пластинах, покриття внутрішніх поверхонь пластин з прорізами електроізоляційним компаундом та з'єднання пластин таким чином, щоб між ними утворився зазор 10-30 мкм, заповнений компаундом; після полімеризації компаунду зовнішні частини пластин видаляють до утворення пластини, яка складається з гілок n- і р-типу провідності, з'єднаних між собою; пластини з гілок n- і р-типу провідності розташовують одна над одною та з'єднують компаундом для формування термоелектричної мікробатареї, комутацію гілок якої здійснюють металізованими антидифузійними шарами; теплопереходи на гарячій і холодній поверхнях термоелектричної мікробатареї створюють високотемпературним компаундом з теплопровідними наповнювачами. Відповідність критерію "новизна" запропонованому способу забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для способу виготовлення термоелектричної мікробатареї, який включає підготовку пластин n- і р-типу провідності з нанесенням на торцеві поверхні антидифузійних шарів, виготовлення прорізів у цих пластинах, покриття внутрішніх поверхонь пластин з прорізами електроізоляційним компаундом та з'єднання пластин таким чином, щоб між ними утворився зазор 10-30 мкм, заповнений компаундом; після полімеризації компаунду зовнішні частини пластин видаляють до утворення пластини, яка складається з гілок n- і р-типу провідності, з'єднаних між собою; пластини з гілок n- і р-типу провідності розташовують одна над одною та з'єднують компаундом для формування термоелектричної мікробатареї, комутацію гілок якої здійснюють металізованими 1 UA 93217 U 5 10 15 20 25 30 35 40 антидифузійними шарами; теплопереходи на гарячій і холодній поверхнях термоелектричної мікробатареї створюють високотемпературним компаундом з теплопровідними наповнювачами. Тому ознаки, які не зустрічаються ні в одному з аналогів - спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї включає підготовку пластин n- і р-типу провідності з нанесенням на торцеві поверхні антидифузійних шарів, виготовлення прорізів у цих пластинах, покриття внутрішніх поверхонь пластин з прорізами електроізоляційним компаундом та з'єднання пластин таким чином, щоб між ними утворився зазор 10-30 мкм, заповнений компаундом; після полімеризації компаунду зовнішні частини пластин видаляють до утворення пластини, яка складається з гілок n- і р-типу провідності, з'єднаних між собою; пластини з гілок n- і р-типу провідності розташовують одна над одною та з'єднують компаундом для формування термоелектричної мікробатареї, комутацію гілок якої здійснюють металізованими антидифузійними шарами; теплопереходи на гарячій і холодній поверхнях термоелектричної мікробатареї створюють високотемпературним компаундом з теплопровідними наповнювачами - забезпечують заявленому способу необхідний "винахідницький рівень". Промислове використання запропонованого способу виготовлення термоелектричної мікробатареї не вимагає застосування спеціальних технологій та матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного напрямку. На фіг. 1-5 наведено схему, яка демонструє ідею запропонованого способу виготовлення термоелектричної мікробатареї. Такий спосіб полягає в наступному. Спочатку виготовляють прямокутні пластини n- і р-типу провідності з нанесенням на торцеві поверхні антидифузійних шарів 1-4 (фіг. 1). На спеціально розробленому обладнанні (наприклад багатострунному розрізувальному верстаті) у пластинках роблять прорізи необхідних розмірів 5-6 (фіг. 2). Внутрішні поверхні пластин покривають високотемпературними компаундами з робочою температурою 300-400 °C, після чого пластини з'єднують таким чином, щоб між ними утворився зазор 10-30 мкм, заповнений компаундом 7 (фіг. 3). Після полімеризації компаунду зовнішні частини пластин видаляють до утворення пластини 8, яка складається з гілок n- і р-типу провідності, з'єднаних між собою (фіг. 4). Потім пластини з гілок n- і р-типу провідності розташовують одна над одною та з'єднують компаундом для формування термоелектричної мікробатареї (фіг. 5). Комутацію гілок здійснюють металізованими антидифузійними шарами. Теплопереходи на гарячій і холодній поверхнях батарей створюють високотемпературним компаундом з теплопровідними наповнювачами - алмазними або корундовими порошками. Попередні випробування заявленого способу підтвердили ефективність його використання для виготовлення термоелектричних мікробатарей з гілками малого перерізу від 0,02×0,02 мм до 1,0×1,0 мм. Такий спосіб значно спрощує та механізує методику виготовлення термоелектричних мікробатарей з великою кількістю гілок n- і р-типу провідності. Джерела інформації: 1. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник. -К.: Наукова думка, 1979. - 768 с. 2. Anatychuk L.I. Thermoelectricity. Physics of thermoelectricity / Institute of Thermoelectricity. Kyiv, Chernivtsi, 1998. - Vol. 1. - 376 p. 3. Анатычук Л.И. Термоэлектричество. Т.2. Термоэлектрические преобразователи энергии. Киев, Черновцы: Институт термоэлектричества, 2003. - 376 с. 4. Пленочные термоэлементы: физика и применение /[Б.М. Гольцман, З.М. Дашевский, В.И. Кайданов, Н.В. Коломоец]; отв. ред. Н.С. Лидоренко.- М.: Наука, 1985.- 232 с. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 1. Спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї, який відрізняється тим, що включає підготовку пластин n- і р-типу провідності з нанесенням на торцеві поверхні антидифузійних шарів, виготовлення прорізів у цих пластинах, покриття внутрішніх поверхонь пластин з прорізами електроізоляційним компаундом та з'єднання пластин таким чином, щоб між ними утворився зазор 10-30 мкм, заповнений компаундом. 2. Спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї за п. 1, який відрізняється тим, що після полімеризації компаунду зовнішні частини пластин видаляють до утворення пластини, яка складається з гілок n- і p-типу провідності, з'єднаних між собою. 3. Спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї за п. 1, який відрізняється тим, що пластини з гілок n- і p-типу провідності розташовують одна над одною та з'єднують компаундом для формування термоелектричної мікробатареї, комутацію гілок якої здійснюють металізованими антидифузійними шарами. 2 UA 93217 U 4. Спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї за п. 1, який відрізняється тим, що теплопереходи на гарячій і холодній поверхнях термоелектричної мікробатареї створюють високотемпературним компаундом з теплопровідними наповнювачами. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 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