автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Экстремальные режимы работы полупроводниковых термоэлементов и устройств на их основе

АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ТУРКМЕНИСТАНА им. ПРЕЗИДЕНТА ТУРКМЕНИСТАНА АКАДЕМИКА С. А. НИЯЗОВА

ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

На правах рукописи УДК 621.362:537.322

НАБИЕВ Махмуд Базаровнч

ЭКСТРЕЛ1АЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОЭЛЕЛ1 БИТОВ И УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность: 05.14.0S—преобразование возобновляемых источникеп энергии и установки на их оснозе

Автореферат )

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АШГАБАТ — 1393

Работа выполнена в Ферганском государственном университете Министерства высшего н среднего специального образования Узбекистана.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Е. К. Нордаиншвшш.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А. 3. Кулиев, доктор технических наук А. Чарыкулиев.

Седущая организация: Туркменский государственный университет им. Магтымгулы, г. Ашгабат.

Защита диссертации состоится «27» января 1994 г. в 14 час. 00 мин. на заседании Специализированного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при институте Солнечной Энергии Академии сельскохозяйственных наук Туркменистана им. Президента Туркменистана академика С. А. Ниязова (744032, ш. Ашгабат, 32, л. Бекрсвс, ИСЭ АСХНТ).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке AFI Туркменистана,

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук

РАХМАНОВ М. А.

ОБИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Теория энергетических применений полупроводниковых термобатарей для целей термоэлектрического охлаждения и генерации тока, разработанная академиком А.И.Иоффе в 1948-19'49 гг., является реальной основой для создания и практи- . ческого использования термоэлектрических устройств преобразования энергии.

Реализация технических аспектов этой, проблемы привело к создания малогабаритных устройств, обеспечивавших низкотемпературную термостабилизацию элементов и узлов в радиоэлектронике, приборостроении, инфракрасной технике, регулируемое охлаждение в медицине и других областях науки и техники.

Созданные в 50-60 годы различные модификации термоэлектрических источников тока,термоэлектрогенераторов на основе второго термоэлектрического эффекта Зеэбека, несмотря на малый к.п.д., составляющий в те годы всего Ъ-^%, начали находить все большее применение не только в спецтехнике, но и в ряде областей народного хозяйства.

Преимущества термоэлектрического метода охлаждения - малые габариты и веса термоэлементов, отсутствие движущихся частей, небольшое время выхода в режим и т.д., позволяют в ряде случаев отдать предпочтение термоэлектрическим охлаждающим устройствам по сравнение с холодильными устройствами компрессионного и аб--сорбаионного типов.

' Благодаря малым габаритам, отсутствию движущихся частей, нечувствительности к коротким замыканиям, термоэлектрические преобразователи в ряде случаев незаменимы и имеют большие преимущества по сравнению с аналогичными по функциональному назначению устройствами. .

■ 3 настоящей время, исследования и разработки в области термоэлектричества развиваются в трех основных направлениях:

- исследования физико-энергетических параметров полуметаллов, . перспективных для использования» термоэлектрических охлаждающих' к злактрогенерирующих устройствах низко- средне- и высокотемпературного диапазонов; /

- исследование различных режимов работы одно и ' многокаскадных термоэле, рических охлаждающих батарей широкого спектра технических применений;

-г -

- разработка широкого класса термоэлектрических источников тока ТЭГ о использованием в качестве источников тепла всех видов современного топлива от ядерного горючего до биогаза.

Важным направлением практического применения НТЭО 70-80-х ' подов явилась разработка криозоыдов для термоэлектрических крио-иедицинских приборов. В этой связи особое внимание исследователей и разработчиков привлекли явления, развивающиеся в ветвях ма-лоаысотных термоэлементов, а также возможности их математического •и физического моделирования. Группой исследователей была предложена для этих целей концепция тензометрических аналогов, расчетное теоретически и экспериментально реализованная в настоящей работе.

Цель и задачи исследования. Диссертация посвящена следующим вопросам, касающимся дальнейшего повышения эффективности нестационарного термоэлектрического охлавдзиия различных экстремальных режимов НТЗО и термоэлектрической генерации тока. 3 их число входят:

- исследование нестационарного термоэлектрического охлаждения на термоэлементах большой длина;

- аналогичные иссле^здния на пористых термоэлементах;

- исследование.экстремальных режимов работи холодильных термоэлементов Пельтье'в области высоких температур;

- исследование термоэлектрического источника тока на жидком азоте;

- исследование теизорезистивиых свойств массивных образцов б^ Тёу ~ м метод Прогнозирования поведения нало-висотних термоэлементов, работающих в экстремальных условиях.

Научная новизна работы, Впервые проведены широкие экспериментальные и теоретические исследования физических процессов в полупроводниковых термоэлементах с большой длиной ветвей, а также в пористых термоэлементах в нестационарном режиме термоэлектрического охлаждения. Расчзтно-теоретическим путем получаны аналитические выражения для полупроводниковых термоэлементов с большой длиной, ветвей и пористых термоэле: нтов в режима нестационарного термоэлектрического охлаждения.

•Аналитически и экспериментально найдена элективная температура охлаждаемого экрана. Указанная разработка предложена в арсенал экспериментальной техники. Разработано и экспериментально опробовано высокотемпературное охлаждавшее устройство, могущее работать. при температурах окружающей среди 600-700° л.

Экспериментально исследованы тензорезистивные свойства массивных оЗразцовф^З^ДГ^ и ^Г^АдД » Для обоснования метода прогнозирования'процессов в ветвях маловысотных термоэлементов криомедицинского назначения, работающих в условиях экстремальных режимов.

Проведенные исследования экстремальных режимов работы систем термоэлектрического охлаждения в области повышенных температур . и термоэлектрических источников тока в экстремальных условиях криогенных температур впервые показали реальные научно-технические перспективы, расширяющие области применения термоэлектрического метода преобразования энергии.

Практическая ценность.

I. Предложены и экспериментально прозеренн новые режимы НТЭО, позволяющие улучаить тепловые и временные характеристики нестационарного термоэлектрического охлаждения.

1?. Предложены и пр. гически реализованы конструкционные приёмы повышения пористости и теплотехнические усовершенствования, позволяющие улучшить характеристики экстремальных нестационарных режимов НТЗО.

3. Предложен а экспериментально подтвержден метод использования окружающей среди как резервуара тепловой энергии, преобразуемой в электроэнергии при использовании в качестве охладителя холодных спаев источника тока онтальпическоЛ энергии испорявдегося криогенного газа. Экспериментально подтверждена возможность использования термоэлектрических охлавдакщих устройств в области высоких температур 600-700° К.

0. Предлолои и экспериментально опробован вариант криогенного ТЭГ, могуаого работать з стационарном режиме. 3 этом случае в качестве источника тепла использовался температурный потенциал окружающей среды. Предложенная, модель НТОГ может служить основой для'разработки источников тока в системах, где имеется сжиленный газ (азот, кислород).При отом испаряюлидся и вмрабатываюций электроэнергию гач может быть утилизирован з дальнейших циклах, например, для дыхания или в двигательно-реактивных установках и т.п. Модель криогенного ТЗГ показала высокие значения .ЧПД, порядка 7что долаэт ее вполне конкурентоспособно;! по экономичности с изотопными тормогоне-раторами.

На защиту выносятся следуиаио основные положения.

I. Цикл исследований, позволявщий повысить эффективность нестационарного термоэлектрического охлаждения при использовании термоэлементов большой длины и новы конструктивных особенностей полупроводниковых пористых термоэлементов;

•2. Постановка и решение задачи создания образца, охлаждающего устройства на основе генераторных веществ, работающих в области высоких температур;

3. Использование тензосвойств поликристаллических образцов тройных .сплавов на основе халькогенидов висмута и сурьмы для прогнозирования поведения маловысотных охлаждающих термоэлементов, работающих в экстремальных условиях.

А. Создание и исследование лабораторного образца термогенератора с использованием в качестве хладагента жидкого азота.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены на ежегодных научно-технических конференциях §ерГПЙ в 1983-1990 гг.; на научных семинарах лаборатории физики термоэлементов ФТИ им.А.И. Иоффе Сг. Ленинград, 1984-1987гг.), также на научных семинарах Л0 ВШИТ; на областной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Молодежь и научно-технический прогресс" С г. Фергана, 1937-1939 гг.); на региональной научно-технической конференции преподавателей и сотрудников, посвященной XIX Всесоюзной партийной кон$зренции(1938 г,л: Фергана); на I Республиканской конференции молодых ученых-физиков ВУЗов ( ТааГу ,г.Ташкент,1938г.); . . Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том чисдё 5 работ в научно-технических журналах всесоюзного и международного ранга, - •

Структура и объём'диссертации. Работа состоит из введения, пятл глав, заключения с выводами и списка использованной.литературы. Всего 18Г страница,.печатного текста 124 страницы, 36 рисун.-ков, таблицы, 118 библиографических наименований..

,"■ ' ..... СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении обосновывается актуальность темы, рассматривается научная новизна.и практическая ценность сформулированных задач, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первойГглаве приводится краткий обзор-анализ теоретических и экспериментальных исследований в области стационарного термоэлектрического охлаждения. Рассматриваются также основные проблемы,

связанные с исследованиями экстремальных режимов работы термоэлектрических систем прямого преобразования энергии.

Рассмотрен широкий класс термоэлектрических источников тока (ТЭГ), использующих в качества источника тепла все вида современного топлива от ядерного до.биогаза. Отмечается-недостаточность комплексных исследований и формулируются цели, и задачи диссертационной работы. •'

Вторая глава посвящена описанию технологии изготовления и методик исследования выбранных образцов термоэлементов. Здесь же рассматриваются вопросы конструирования и использования основной экспериментальной установки, приводятся расчетно-теоретические материалы, касающиеся создания и применения специального охранного теплового экрана с регулируемой температурой. Предельные относительные погрешности не превышали 1%.

Описан метод изготовления ПТЭ болызой длины в виде "П"- образной конструкции с высотой 102 мм, а так же метод изготовления искус- " ственно-пористых термоэлементов высотой 30 мм. Приведены результаты исследований по оптимизации геометрии ПТЗ обоих типов и температура ных зависимостей <А , е? . % .2? (100-400оК) материалов П. и Р типов.

В третьей главе представлены теоретические и экспериментальные результаты исследований реяима нестационарного термоэлектрического охлаждения с использованием ПРО большой длины искусственно-пористых термоэлементов. Рассматривается ряд специальных токовых импульсов ( прямоугольный, комбинированный со ступенчатым изменением токовой амплитуды). Обосновываются и обсуздаытся результаты экспериментов. "■ ''зйзстно, что метод нестационарного термоэлектрического охлаждения (НТЬЗ) применяется для охлаждения малоинерционных объектов, в том числе пленочного типа (приёмники инфракрасного излучения, ПЗС матрицы и пр.;. Суть метола заключается в запаздывании поступления-на холодный спЫ избытка джоулева тепла из массы термоэлемента (ТЭ) при токах, существенно больших оптимального. Ь^ективность НТ30 определяется глубиной охлаждения ДТ и временем поддержания низкой температуры дТ , которые являются основными параметрами. Существенным ■ тормозом повышения йТ во всех режимах НГ00 является контактное сопротивление холодного спая Х^ .Поэтому дальнейший прогресс в вопросах применения режима экстремального тока, являющегося наиболее эффективным с точки зрения получения максимальных ЛТ . может быть достигнут на путях уменьшения контактного сопротивления Х^ в рамках модели полупространства, что реализуется в термоэлементах с большой

длиной ветвей. Вместе с тем, известно« что инерционность термоэлемента, т.е. время выхода в режим, пропорциональна квадрату длины его ветвей, поэтому переход х большей продолжительности процесса НТЗО и, следовательно, эксперименты на "длинных" ТЭ, с ветвями су-лественно больших длин, чем в предыдущих исследованиях, должен дать . ачительный выигрыш в£Т. Это обусловлено тем, что при больиих •длинах термоэлемента процессы протекает более медленно и уменьшается относительная роль джоулевых тепловыделений в приконтактном слое.

£яя экспериментальной проверки этого предположения проводились исследования двух термоэлектрических охлалдающих устройств в режиме НТЗО о ветвями£ =102 ми и £ =15 ни, обладающие одной и той же термоэлектрической добротностью, причем эталоном для сравнения являлся термоэлемент с длиной ветвей. 15 им.

В хачестве материала ветвей использовались зонно-плавленные кристаллы (Р-тип) и 51гЬе} С/г -тип).

Расчетно-эксперииенталышм путем была подобрана температура экрана tэ "-2°С, имитирующая адиабатическую изоляции боковых поверх' ностей исследуемых термоэлементов. Вышеуказанная температура окрана, ,читывая практическое отсутствие натекания тепла за счет теплопроводности воздуха в вакуумированной среде, была выбрана близкой л среднеинтегральной температуре термоэлемента с учетон температурной "параболы" в его ветвях.

У двух исследуемых термоэлементов основного СС =102 мм) и эталонного С с =15'мм), коммутационный слой и токоведущие пластины были одинаковы. Также одинаково было и их экспериментально определенное контактное сопротивление -Ъ •10""' Ом • см^. Основные экспериментальные результаты представлены на рис. 1-5,

1.Режим- прямоугольного импульса. На рис.1 представлены зависимости Л ^иакс 01> кРатности С К ) импульсного тока ^ по отношению к оптимальному току Уопг. Без защитного экрана с ростом амплитуды тока (величины К ) на основном ТЭ ДТ падает, не согласуясь с теорией

ТО для адиабатического ТЗ (..ривая -I). При наличии экрана с имитирующей температурой зависимость¿$Т от К выравнивается в соответствии с теорией НТО для адиабатического ТЭ (кривая -2).

2.Комбинированный режим (оптимально" ток *■ прямоугольный токовый нм-' пульс). Сравнение эффективности основного образца (^=102 мм) с эталоном -15 мм) на рис.1 представлено кривыми 3,'(. Из рисунка видно, что у ос ;вного _ТЭ<& Тмакс. существенно выше чем у эталонного.

• При эток у основного ТЗ оптимальная кратность (К=Ю) значительно

- 7 - . '

выше, чем у эталонного ТЭ (К=3), так как с увеличением длина уменьшается негативное влияние . . . 3.Комбинированный режим со ступенчатым импульсом. В эксперименте соотношение "амплитуда йТ - продолжительность импульса токаДТг 1 подбиралось экспериментально, а именно, при достижении максимума ДТ предыдущего импульса добавлялся следующий_токовый импульс и т.д. Вначале основной ГЭ выводился в стационарный режим. Время выхода в стационарный режим при & =102 мм составляло 260-290 мин (около 5ч.). . На рис. 2 представлена синхронная зависимость^ Тмакс при ступенчатом, изменении тока. Как видно, Целесообразным оказалось проведение всего четырех импульсов тока, поскольку четвертый (последний) импульс давал приращение ДТ всего в 2°С. Общая разность температур,добавленная в ! результате 'наложения на оптимальный.ток четырех импульсов, составила • ((5°. Следует отметить, что термоэлемент с большой длиной ветвей дал возможность пропускать дополнительно два импул^а ( К^ , ) по сравнению с "классическим" термоэлементами и термоэлементами с металличе-^■ ской вставкой, у которых такая же серия заканчивалась на втором импульсе. Это явилось следствием того, что с увеличением длины термо-.. элемента уменьшалась величина безразмерного контактного сопротивле- •' ния %к . Это и дало возможность продолжения процесса возрастания амплитуды охлаждения. Суммарная разность температур четыр.ехртупенчатого' охлаждения в комбинированном режиме составилаД тнакс =П4°С. Указанную цифру, по-зидимому, можно .считать на сегодняшний день предельной *. для однокаскадного термоэлемента с современным уровнем термоэлектрической эффективности 2 . Это значение превосходит результаты в реки-' ме "оптимальный ток-экстремальный ток, ранее приведенные в отечественных работах.

. Были проведены широкие экспериментальные исследования НТО на искусственно-пористых термоэлементах. Искусственно-пористые.ТЭ (ЯПТЭ) ' назовем такой термоэлемент с ветвями из обычного термоэлектрического материала, в котором с помочью той или иной технологической операции созданы макроотверстия (пори) И1ТТЗ, на котором били проведены исследования и который был изготовлен из слитка зонно-плавленного сплава, исходный слиток имел диаметр 10 км и длину 27 ми. 3 слетке было просверлено цилиндрическое отверстие диаметром 6,5 мм ка глубину ¿5 мм так, что со стороны теплопоглощающего спая оставался'сплонной слой толщиной 2,5 мм. Далее были просверлены радиальные канала нормально к цилиндрической поверхности. Их было.^З. для сравнительных экспери-

".' '.'- "Г

центов был изготовлен контрольный термоэлемент (КТЭ), выполненный из j оплошного материала. Термоэлектрическая добротность..^ как для КТЭ, ¡ так и для ИПТЭ равнялась 2,9 • Г ^ К при комнатной температуре. 3 •' решках принятой модели дискратнув пористость можно условно трактовать как увеличение удельного сопротивления^ (уменьшение <э ) термоэлемента, Таким образом, ИПТЭ может считаться'элементом с повышенным 'удельным сопротивлением, и. при наличии контактного сопротивления , неизбежно имевшегося у каждого ТЭ, - эффект ИПТЭ проявится даже в стационарном режиме. Действительно, известная формула термоэлектрической : добротности с учетом контактного сопротивления :

; ' ' ? - ¿о - , U)

■ ' .

W : .•■••■ • . ' Х Н

¿о - добротность исходного вещества термоэлемента. > :: Экспериментально показано, что в.режимах НТО термоэлементы с

■ .больпин уделышм сопротивлением жавт бЗлее глубокое охлаждение при :ч>дних и тех хо и 2 ♦

. 'ч , Иа рис.'З показана .зависимости Л Т„„ - от величины Н . (/v = s По • где - - ток импульса, Jo - оптикадышП ток стационарного , .режима). Олишалышв ток для КТЭ разнялся 10 А , а для.ИПТЭ -3,5 А. Обе величина были подобрана окспзрикзнтальио. ■. Из рис. 3 видно, что величина Л ?какс :для ИПТЭ больше чем' для КТЭ. * . '

ч ' На рис.'!'представлены зависимости^»Тмакс комбинированного режима от безразмерного токаtt '..Кривые для КТЭ и ИПТЭ имеют ярко выра-' ...женный максимум, что, и должно быть в комбинированном режиме. При этом Л наблюдалось более глубокое охлаждение у ИПТЭ (кривая 2) по сравнению

■ с КТЭ (кривая I). Величина стационашого''перепада температуру Тс™ц а обоих ■ случаях была равна 69ю при7г * 298 К, В целях опреде-ма1'° пещ('я _ продельных лозмсжностзй ШГЭ на mix бил реализован режим многоступенчатых импульсов тока.

На рис. 5 приведены результаты охлаждения с помощью четырехступенчатого токового импульса для КТЭ и ИПТЭ. В обеих случаях термоэлементу предварительно выводились в. стационарный режим при соответствующих оптимальных токах (f(0 =1),'Затек реализовались импульсы тока возрастающей амплитуды, причем переход к следующему токовому импульсу ; осуществлялся в момент достижения максимального охлаждения от предыдущего импульса. ■;.:'-•

■ г . - 10 -

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям экстремальных режимов термоэлектрического охлаждения и-генерации тока. В ее рамках рассматривается рез^ ...тага исследований работы термоэлектрического каскадного охлаждавшего устройства в области высоких температур, а также приводятся данные по разработанной и апробированной модели термоэлектрического источника тока, использующего в качестве источника тепла температурный потенциал окружающей среды, а в качестве жидкости, охлаждающей холодные опаи, сжиженный азот. Приводен краткий литературный обзор об особенности электрофизических свойств термоэлектрических материалов4 в области высоких и низких температур, электрогенерирувщих термоэлементов и устройств в условиях экстремаль пых температур.

Само понятие высокие температуры является условным для различных областей науки й техники. Традиционно термоэлектрическое охлаждение охватывает диапазон температур приблизительно 300-160 К. Условимся называть этот диапазон температур- диапазоном низких температур, Традиционная тормогенорацкя тока охватывает диапазон температур приблизительно 300-1000 К.-Условимся называть часть этого диапазона температур,, а именно область 500-700 К-применительно к термоэлектрическому охлаждению, областью высоких температур. Сама по-себе термоэлектрическая добротность современных материалов в области низких температур - выле'чем в области высоких температур. Так; добротность веществ, используемы,* для целей термоэлектрического охлаждения тройных сплавов 8ЬТе^ ~B¿¿SeJ, в^ 7ёу—» лежит в пределах 2,5°"Ю"^ - з'''10~3:1ГГ, а добротность высокотемпературных в пределах - 1,5 -.ГО"3 К"1 в своем интервале температур. .

• Расчетно-иатематичоскиД анализ показывает, что несмотря на резкое падение добротности 2 при высоких температурах величина максимального охлажАенияД7р1АкспР" этой возрастает почти в два раза. Не .мецее важной характеристикой термоэлектрического охлаждения является холодильный коэффициент - £> •

^ Тг

.ТгЛГту ■

(гг--шм);

£ А . С2)

■ Естественно,- однако, что не только термодинамическими соотношениями определяется интерес.потенциальных разработчиков к диапазону ' 30-700 К, который не затронут, до сихгпор реальными разработками терноэлектрических охлаждающих устройств. При одновременном доведе-

- И -

нии коэффициента заполнения блоков до 30-90$ вызывает в ряде случаев весьма сильное повышение температур ( свыше 1»00-1»50 К ), что не всегда выдерживают элементы РЭА. В этих условиях термоэлектрическое охлаждение может быть единственным выходом из технического тупика.

Указанные соображения приводят к целесообразности проведения экспериментов по исследованию поведения термоэлементов Пельтье и устройств на их основе в области повышенных температур. Эксперименты были проведены на двухкаскадной термоэлектрической батарее, на рабочем спае которой располагался макет пассивного (без внутреннего тепловыделения) термостатируемого объекта. В качества веществ для каскадов использовались термоэлектрические материалы на основе £>1г (Те,3е)у IX типа и Р -(81, оптимизированные для диапазонов темпе-

ратур работы каскадов.

В результате проведенных экспериментов был получен перепад тек--ператур в режиме максимальной холодопроизводительности, равныйДТМАКСс ' =15'»°. Такой перепад температур на двухкаскадннх термоэлементах недостижим в области низких температур. В области температур традиционных для термоэлектрического охлаждения такой перепад возможно было бы осуществить лиаь с применением 5-7 каскадных термобатарей.

Таким образом, впервые экспериментально доказана принципиальная возможность эффективной работы термоэлектрических охладителей при высоких температурах окружающей среди.

Макетная разработка и исследование термоэлектрического источника тока на жидком азоте. Известно, что одним из наиболее серьёзных тех-нико-окономических недостатков термоэлектрического метода генерации тока является налое значение КПДу реальнее составляющее у действующих сегодня термоэлектрогенераторов (ТоГ) всего^9-5г>1_&- • известно, основным условием функционирования любого ТЗГ является наличие разности температур на спаях его термобатареи. Речь идет о так называемом орио- ; генном, импульсном термогекераторе (ЖЗГ). Такой КИТЗГ колет работать в течение отрезка времени, ограниченного теплоемкость» -Т0'1 .'юбатарэн. В развитии указанного метода предложен и экспериментально опробован вариант криогенного ТЗГ, могучего работать в стационарном режиме. В . этом случае, однако, в качестве источника тепла использовался температурный потенциал окружающей среды. Лабораторная модель'криогенного ТЭГ : была выполнена следующим образом (рис.б). Термобатарея была собрана из 10 последовательно соединенных блоков, каждый.из которых состоял, из 60 ветвей высотой 3,3 мм и площадью поперечного сечения 0,64 мм*" • ( 30 термоолемеитоз). Применены тройные сплавы В1 ~'Те ~5>о ■

-7е"5е Р~ типа 00 следующими усредненными характеристиками

- гг -

"вещества при комнатной температуре: коэффициент термо э.д.с. .= =215 мкЗ/К, удельная электропроводность=1050 Оы~**см~^, удельная ' теплопроводность д£> =1,7 '¿Ю .Зт/см К, соответствует термоэлектрической добротности 2 - "2,85 *Ю . (Г*. Образцы вырезались не^ .электроискровой установке, после чего подвергались химическому травлению. Для коммутации использовались припои составов: (96$~ ) с температурой плавления 290°С.и (53% В1 - ^¿М Ъп ) с температурой ' . плавления 139° С. Электроизоляционные переходы были выполнены из бе-риллиевой керамики, металли.^ровзнной по внешним поверхностям. Термобатарея своими теплопоглацавщими спаями была напаяна на медный резервуар с. проточной водой. Температура воды регулировалась ультратермостатом типа "Гепплер". Поверхность термобатареи со стороны тепловыде^ ляющих,спаев была отшлифована. На ней помещался медный полый цилиндр с притертым дном. Указанный цилиндр-емкостью 2,3 литра являлся резер^ вуаром для азота, который заливался сверху, цилиндр был защищен тепло-^Изоляционной рубашкой из пенопласта ПН-4 и сверху закрывался крышкой . с/отверстием для выхода паров азота. Для исключения воздушного зазора Иежду плоскостьп термобатареи и дном цилиндра наносился слой глицерина, толщина которого не превыаала 0,1 мм. Перед началом испытаний в макете ТЗГ устанавливалась температура проточной воды на уровне 290-..'295 К. В верхний резервуар заливался жидкий азот-с температурой кипе-"ния 77 К. Время выхода в стационарный реким не превышало 2,5 - 3 минуг 3 .стационарном режиме температура теплопоглощаладх спаев состав- * ' ляла 300 К,. тепловыделяющих 110 К. Таким образом,, обеспечивалась ра-. . б^чая разность гемператур<йТ= Тг —Т^ - 190°, при средней температуре .7 = 205 К. Расчетные параметры полупроводниковых материалов ветвей при этой температуре составляли«6 — 150' мкЗ/К,<д — 1700. 0м~ • V см"1, 2?- 1,9_Зт/см.К, ¿ — Ю~Э К-1. Расчетный коэффициент полезного действия ТЭГ при этих параметрах равен:'

^ Тг у Т^ТТ*^ '0

Мощность при расчетном 'Тбпловом потоке Вт. Высокое значение расчетного КПД модели объясняется повышенными значениями КПД Карно ^- -1с.~ £ — при низких температурах несмотря на то,

что термоэлектрическая добротность Н снизилась. Нагрузочные характеристики ТЗГ приведены на рис. 1. Объём жидкого азота 2,3 литра обеспечивал работу термоолектрогенератора в течении 53 кинут. ■ -

- Iii

Г« с - 8

блоним термодинамические характеристики азотного термоэлектро-геиоратора с учетом тепловых потерь. Рабочий цикл был проведен с наг-'рузкой, имитируемой тремя малогабаритными электролампами сопротивлением 12 Ом каждая. Зто соответствовало нагрузке В = 3 х 13 = 39 Ом., При этом были показаны следующие рабочие характеристики У = 0,3 А ,

Ц, - II,б В и \Х/ = 3,5 Зт. В режиме разомкнутой цепи при этом ЗДС составляла 5 * 17,1 В, а внутреннее сопротивление ТЭГ - Ъ -13,л' Ом.Используя экспериментальные .значения ЧК^ и расчетные значения теплового потока получим КПД модели КИТЭГ 7,6$, что составляет 0,93 от расчетного значения, полученного по среднеинтегральным значениям термоэлектрической эффективности ветвей КИТЭГ. Такие значения КПД делают данную модель КИТЭГ вполне конкурентноспособной по экономичности с изотопными термогенераторами. Предложенная модель КИТЭГ может послучить основой для разработки источников тока в системах, где имеется сжиженный газ ( азот, кислород ). При этом испаряющийся и вырабатывающий электроэнергию газ"может быть утилизирован в дальнейших- циклах (для дыхания, в двигательно-реактивных установках .и т.д.).

В пятой главе систематизируются прикладные вопросы, касающиеся процессов, происходящих в ветвях термоэлементов, работающих в условиях экстремальных режимов, а также ставятся некоторые вопросы, заслуживающие дальнейшего углубления и-рассмотрения.

Расчетно-экспериментальному. исследований подвергнуты тензоэффек-,ты в термоэлектрических материалах■-.халькогенидах висмута к сурьмы для создания основы метода последующего предсказания явлений в ветвях маловысотных термоэлементов. Рассматриваются такжо вопроси работы тер-элементов в экстремальных условиях всестороннего контакта с тканями человеческого организма и условиях экстремально низких температур. Весьма ваинос значение имеет снижение высоты ветвей в теркоэлектроге-нераторах. В этих случаях происходит двойной выигрыш - как за счзт уменьиения веса термобатарей ( что особенно вално в космических применениях ТЗГ ), так-и за счет возрастания удельных тепловых потоков, а следовательно и электрической мощности ТЭГ. Однако, хотя теория допускает любое уменьшение высоты ветвей термоэлементов - инженерная практика ставит здесь свои пределы. И не только из-за возрастающего влияния контактных сопротивлений, но и из-за резкого увеличения градиентов температур, приводящих к серьезна- механическим напряжениям (упругим деформациям), которые при определенных условиях могут привести (и приводят) к. возникновение треэди и да.кз к полному разрушению термобатарей. Безразмерная величина рат-оя отношению,изменения отно-

сителоного сопротивленияùRjft , к относительной деформации ûifs , называется коэффициентом тензочувствительности. Обозначив эту величину буквой Я » получим

н-МЦ-

Изуенениа удельного электрического сопротивления, возникающего в результате одноосной деформации растяжзния или сжатия, называет тензо-резистивным эффектом. Коэффициент тензочувствительности существенно зависит от кристаллографического направления, количества примесей (удельного сопротивления;, температуры и степени деформации.

Установка для измерения коэффициента тензочувствительности пассивных образцов из(ôiçtfSiqtsWei и /^(^«Зв^вЗвспечивола возможность проведения ¡ссладозаниЛ а ^проком интервале деформаций до

= *»,5 • Ю-^ отн. ед. ^âjjcrî'.a-iHfl тензочувствительных элементов производилась способом, представлении на рис. 8. Коэффициент тензочувствительности оценивался по изменению сопротивления образца и контролируемому изгибу стальиоИ пластины. Сопротивление определялось из данных вольгамперных характеристик и сопоставлялось с результатами, полученными с помощь»; моста постоянного тока.

Рассмотрим основные принципы расчета многокаскадного ТЗГ „ля экстремальных условий. Проведем сначала приближенный расчет равновесной теутзратуры теплорассеиваюдей среды, пользуясь основными методами, теории излучения и опираясь на экстремальные данные о солнечной радиации. Известно, что на каждый квадратный метр поверхности в космическом пространстве в' района орбиты 'Земли (расстояние от Солн. . 1,5 • 10^ км; падает около 1200 джоулей лучистой солнечной энергии. Лсходя из этого можно рассчитать равновесную температуру радиатора, задаваясь его коэффициентом отражения. 11 с п -ьзуя известное выражение теории излучения где g = 5,67 ' 10"^ Дж/мТрад

сек постоянная в законе Стефана-Еольц.чана. Золи принять величину

cL - 0,9, то подставив в это выражение принятые значения X и Û получаем ДТ - 330 К. Учитывая отсутстр ч принципиальных изменений в эффективности термоэлектрических материалов за последние два десятилетия можно осуществить следующий выбор границ термоэлектрических систем для многокаскадной термобатареи на интервал 190 - II9Q 1{.

Расчет ;Щ термоэлектрического устройства, работающего в столь ¡ироком температурном интервале является достаточно сложной задачей, ко.ору с целесообразно выполнить в три этапа. Пер«ыа этап - оценочны?

о s to 15 га ¿5 30 40 is so ss eo65.70 is uu as sags too К,Ом Aie - ?

расчет, ¡соторчй позволит составить обцое представление об ожидаемых материалах в обдем энергетическом баланса. 1!торой этап включает в себя достаточно громоздкий, но неизбежный, расчет вклада каждого участка многокаскадной тзрмобатарои а обдий энергетический баланс. Третий этап за.члвчаетси в окончательной оптимизации многокаскадной тормо-батареи с учетом необходимых изменений и температурных границах каска дов и участков, а также возможных изменений состава материалов ветвоЛ термоэлементов.

3 й В 0 д У

I.Обоснован, рассчитан и экспериментально опробован метод повышения эффективности Сглубик охлаждения; нестационарного режима термоэлектрического охлаждения при использовании термоэлементов с большой длиной ветвей ( или большим отношением ) за счет уменьшения влияние контактного сопротивления на энергетические характеристики НТЭО.

2.На термоэлементах с длиной ветве.': 102 мм в комбинированном режиме со ступенчатыми импульсами тока достигнута' разность температур 11<10С, что является в настоящее время предельным результатом для некаскади-рованных термоэлектрических охлаждающих устройств и соответствует возможностям трехкаскадной батареи в условиях стационарного режима.

3.Предложена, рассчитана и проварена в эксперименте концепция активного экрана, имититующего условия адиабатической изоляции холодного спая и боковых поверхностей термоэлемента, работающего в режимеД7^М1(СГ Экраны такого'типа открывают перспективы в ряде областей экспериментальной техники.

'кЗведзна в рассмотрение и экспериментально проверена концепция создания искусственной пористости в частях ветяей термг цемента, прилегающих к холодному спаю, как метода повышения сопротивления и, соответственно, уменьшения роли контактных сопротивлений в процессе НТЭО. Экспериментальное исследования показали увеличение перепада температур, достигаемое при использовании эфректа искусственной- 'ристости в режиме НТЭО, а также увеличение времвНтгпСДдерлания низкой температуры на холодном спае термоэлемента.

5.Впервые проведены экспериментальные Исследования возможностей осу-, ществления термоэлектрического охлаждения в области высоких (600-700К, температур. С помочь« двухкаскадноЛ холодильной термобатареи, с каскадами оптимизированными под .определенные интервалы температур, достигнута Разность температур 427 К температура окружающей среды 514 К и осуществлено термостатирОиаши обьекта с величиной теплонате .<ания 1 Зт при температура 7} - '»Г< ¡С, при Тг ~ 573 К. Проведенные

эксперимент!! откриваит технические -перспектива, связанные с охлаждением :: "0г::сствтировиниеи прецизионной и уьихальиой радио и михро-г.лектрончоя аппаратуры при экстремальных температурных условиях работ;; об^хта ^

б.З развитие концепции к.иазисгацпонарного режима работы ТОГ с использован;:^. тепле солерхы:ия терюбагарри предложен и экспериментально опробован тьриозлектркчесг.ий источник тока с использованием в качестве источника тепла температурного потенциала окружающей среды ( вода при А I - К), а в качество резерв/ара -отработанного топла тепло-зух эьаргкя фазе,всго перехода ^иогсаронич.) ид ко го азота, достигнутое значение ¡'ЛД тярмоадсктрогэъератора 7,6.» отг.р'нает определенные технические перспективы для термоэлектрических источников тока, использующих тепловой потенциал гл.ру:чамей среды.

7.гасчетно-тлогр-т1'чосг.им к экспериментальным аут»к'и показано, что механические напряжения и Д9;ормЗД1И, БОзн:'.<са!.'и|Ия в маллвчеотных термоэлементах, работаатох л условиях больших градчэнтов температур, могут быть количественно прогнозируемы методом аналогового сопоставления с результатами измерения тензореэистквныу эффектов ка материалах, составляющих основу ветвей термоэлементов.Полученное результаты могут быть использованы в инженерной практике при создании термоэлектрических криозондов. •

3.Проведено исследование тензорезистивных свойств массивных образцов псевдобинарных твердых растворов на основе хатькогенидов висмута и сурьмы с цельс использования полученных данных для модельного описания процессов в ветвях маловысотных термоэлементов. Полученные данные сравнены с результатами, полученными на пленках этих же материале з.

9.Проанализированы .возмо.-йюсти использования данных, полученных при исследовании в экстремальных режимах заботы охлаждающих термоэлементов. Рассмотрены режимы работы термоэлектрических криозондов с мало-;*"сотними термоэлементами. ".-''.

10.Рассмотрены и проанализированы возможности использования многокаскадных олектро^екерирувщих термоэлементов, термобатарей и устройств на их основе в условиях экстремально низких температур теплосброса и больших разностей температур,Показана возможность, в случае .качественной покаскадной оптимизации сдоЯс ._» термоэлектрических материалов, /остижения предельно высоких (18-19 % ) значений 'КПД многокаскадных устройств, превыкаоцих значения КПД солнечных батарей. Указанные ус-лония могут быть реализованы при осуществлении перспективных космиче-

ских программ в условиях поверхностей астероидов или на борту космических кораблей дальнего полета.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДЙССЕРТ. ЛИИ

1.Бабин З.П.,Иорданишвили Б.К., Кодиров A.A., Набиев М.Б., Олимов Х.О. Выбор температуры охлаждаемого экрана для термоэлементов //Известия высших учебных заведений "Приборостроение" - 1938, -т. XXXI, - № 3. -С.'93-95. '

2.Бабин З.П., Иорданишвили Е.К., Набиев М.Б., Олимов Х.О. Экспериментальное исследование нестационарного термоэлектрического охлаждения

на термоэлементе большой длины // IT5. - 1938. -т. 58. - И -С. 17961798.

3.Бабин В.П!,!!орданиивили Е.К., Набиев М.Б., Олимов Х.О. Экспериментальное исследован;., нестационарного термоэлектрического охлаждения на искусственно-пористых термоэлементах // - 193'3. -т. 58. -!£ 12. -С. ¿408 -2410.

'(.Набиев М. Б., Кадыров A.A. Эффективная температура охлаждаемого охрана для тармоилемзнтои Пельтье /, - Доклады I Республиканской ксн,Франции молодых ученых-физиков ВУЗов. 1983. ТашГУ. С. 66-67. Ташкент.

5.Иорданишвили З.К., Набиев?.!.Б., Олимов Х.О., Равич В.И. .Иссло-ование тензорезистивных свойств массивных образцов (ßt о,г5 $(к>1гз)Тез и

ßii(Teo.0 Se0i.,)i и ИЖ. - 1989. -г. 56. - » l'-C. 97-99.

6.Набиев ">., Иорданишвили S.K., Олимов Х.О., Кадыров A.A. Новые подходы к научении термоэлектрического' явления в курсе физики // В кн. Интенсификация учебно-воспитательного процесса при подготовке учителей физико-м- вматических дисциплин. Ташкент, 1989.С. 32-38.

7.Набиев И.Б., Олимов Х.О., Кадыров A.A. -Исследование нестационарного термоэлектрического охлаждения на полупроводниковых тройных сплавах

ß,L- Sß-Te. • // Тезисы докладов облас.аой научно-практической конференции "Роль молодых ученых и специалистов i решении региональных п^блем". 1990. Фергана. С. 77-78.

8.Бабин В.П., Иорданишвили E.IC., Кадыров A.A., Набиев М.Б.,о1Лимов Х.О, Лабораторный термоэлектрический источн . тока о отводом тепла жг ким азотом. // Журнал "Приборы и техника эксперимента" АН СССР - 1991.

!!> 2. С.'195 - 196.