Способ изготовления термоэлементов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц5 Н 01 1 35/34

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4949700/25 (22) 28.06.91 (46) 23.08,93. Бюл. ¹ 31 (76) B,Ã.Êoïàåâ и И.К,Батрак (56) Авторское свидетельство СССР

N 704397. кл. Н 01 L 35/04, 1976.

Авторское свидетельство СССР

¹ 199946, кл. Н 01 L 35/34, 1965. (54) ТЕРМОЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в термоэлементах, ветви которых предпочтительно выполнять из тройных сплавов на основе теллурида висмута, и при изготовлении этих термоэлементов.

Предложенный способ включает операции. прессования ветвей из порошков полупроводниковых материалов при комнатной температуре, изготовление коммутационной шины, присоединение коммутационной шины, при этом изготовление и присоединение коммутационной шины проводят одновременно посредством газоплазменного напыления никеля непосредственно на торцевые поверхности ветвей и электроиэоляционной проставки и затем проводят дополнительное упрочнение, включающее термообработку. П ри этом предпочтительно при газоплазменном напылении в зону плазмообразования подавать заготовку в виде никелевого провода диаметром 0,7 — 1,1 мм со скоростью 1,3-1,9 мм/с при следую„„Я2„„1836755 АЗ (57) Область использования: прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Сущность изобретения: при изготовлении термоэлемента после прессоI вания ветвей из порошков полупроводниковых материалов и размещения между ними проставки из электроизоляционного материала проводят газоплазменное напыление никеля, формируя тем самым коммутационную шину требуемой толщины и затем проводят отжиг или горячее прессование. 3 з,п. ф-лы, 2 ил. щих режимах плазмообразования: мощ» ность 6,2 — 9.5 кВт; расход инертного газа

20-35 л/мин; дополнительное упрочнение проводить путем отжига в инертной атмосфере при температуре 430-460 С в течение

1-1,5 ч; дополнительное упрочнение проводят путем "горячего-" прессования при температуре 370 — 400 С, давлении 3 — 4 т/см в течение 5 — 10 мин, Как гюказали проведенные эксперимен- О1 ты„никель обладает отличной совместимо- 4 стью с полупроводниковыми ветвями, (Д выполненными из тройных сплавов на основе (Я теллурида висмута. Для максимального снижения стоимости толщину коммутационной шины из никеля выбирают наименьшей, обеспечивающей приемлимые электрические потери (xe более 57;) в коммутационных соединениях. Как показали проведенные эксперименты, электрическое сопротивление на границе полупроводник — никель не превы шает величины 105 Ом см 2 и вклад этого сопротйвления в общие контактные потери составляет доли процента. и таким образом

1836755 основной вклад вносят электрические потери в никелевой перемычке. Как показали проведенные расчеты, толщина коммутаци- онных шин иэ никеля (при используемых обычно на практике ветвях со стороной 3-5 мм) должна выбираться в пределах 0,9 — 1,2 мм, что при используемых в подавляющем большинстве случаев высотах ветвей 3-7 мм приводит к оптимальному диапазону отношений толщины коммутационной шины к высоте ветви 1:2,5 — 1:10, т.к. при больших величинах этого отношения электрические потери могут превысить допустимый предел, а при меньших значениях этого отношения недопустимо вырастает толщина коммутационной шины. Выполнение ветвей в виде пластин, большие поверхности которых примыкают к электроизоляционной проставке сводит до минимума среднюю длину линий тока в коммутационных шинах, что позволяет соответственно уменьшить ее толщину и следовательно снизить стоимость. Выполнение торцевой поверхности электроизоляционной проставки в виде углубления цилиндрической формы позволяет при изготовлении 1ермоэлемента автоматически формировать зиг в средней части коммутационной шины, что при прочих равных, условиях позволяет до минимума уменьшить толщину коммутационной шины, сохраняя стойкость к термоциклам благодаря наличию зига. Повышению устойчивости к термоциклированию способствует и выполнение электроизоляционной перемычки из асбеста, поскольку он достаточно устойчив к деформациям при нагреве и служит опорой для коммутационной шины, что позволяет уменьшить ее толщину, и соответственно снизить стоимость термоэлемента,,Предпочтительно при газоплазменном напылении коммутационной шины подавать в зону плазмообразования заготовку из никелевого провода (в сравнении с использованием порошка никеля снижается стоимость и, главное, устраняется окисление поверхности при хранении). Диаметр провода выбирают в пределах 0,7; 1,1 мм, т.к. проведенные эксперименты позволили установить, что при диаметре менее 0,7 мм наблюдалось частичное сгорание образующихся при расплавлении окончания провода капель, а при диаметре, превышающем

1,1 мм происходит забивание сопла установки. Оптимальная скорость подачи заготовки в виде никелевого провода установлена 1,3-1,9 мм/с, т.к. при меньших скоростях не удается обеспечить поступление требуемого количества никеля, а при скоростях свыше 1,9 мм/с непроплавление отдельных участков провода. Экспериментально установлено, что при газоплазмен. ном напылении никеля на торцы холоднопрессованных полупроводниковых ветвей мощность плазмотрона следует устанавливать в диапазоне 6,2 — 9,5 кВт и расход инертного газа (как правило аргон) 20 — 35 л/мин, поскольку при мощности менее 6,2 кВт наблюдается неравномерность напыля"О. емого слоя, а повышение мощности сверх

9,5 кВт не приводит к дальнейшему повышению .качества напыляемого слоя никеля, а вызывает необходимость излишних энергозатрат. При расходе инертного газа менее

20 л/мин имеет место неустойчивость образующейся струи, а при расходах, превышающих 35 л/мин происходит срыв струи.

Вслед за газоплазменным напылением никеля проводят дополнительное упрочнениЕ

20 полученной структуры с использованием термообработки, что позволяет наряду с повышением термоэлектрической добротности улучшить термомеханические характеристики ветвей, коммутационных шин и их контактных соединений. Так при упрочнении при помощи отжига в инертной среде экспериментально установлен диапазон температур 430-460 С, т.к. при мень ших температурах не удается сформировать

30 достаточно прочные структуры, а при больших значениях температур резко возрастает сублимация пОлупроводника.

Соответственно указанным температурам соответствуют времена отжига 1,5 — 1 ч, При исгользовании для упрочнения "горячего" прессования экспериментально установлены параметры режима: температура 370—

400ОС (при меньших температурах не удается получить достаточного упрочнения, а при

40 температурах более 400 С наблюдается переп рессовка), давление 3-4 т/см (при мень2 ших давлениях не удается-.сформировать достаточно прочные структуры, при больших чем 4 т/см — перепрессовка), время

5-10 мин (при времени менее 5 мин не удается завершить формирование структуры, а при времени, превышающем 10 мин не наблюдается дальнейшего увеличения прочности, но возрастает стоимость- этой

50 операции).

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 — термоэлемент(верхняя часть); на фиг. 2 — термоэлемент с цилиндрической формой торца электроизоляционной про55. ставки.

Термоэлемент содержит: полупроводниковые ветви 1. 2, коммутационную шину из никеля 3, присоединенную к их торцевым поверхностям, электроизоляционную проставку 4, размещенную между ветвями 1, 2, 1836755 на торцевой поверхности которой 5 расположена средняя часть коммутационной шины 3.

Полупроводниковые ветви 1, 2 предпочтительно выполнять из полупроводниковых тройных сплавов на основе теллурида висмута (и ветвь В!гТез - $п Тез и р-ветвь

D/ÂiãTå3 - S0gTeg с соответствующими легирующими примесями), поскольку именно эти материалы обладают наибольшей.термоэлектрической добротностью в диапазоне температур 20-300 С, возможно выполнение ветвей из среднетемпературных материалов, например, из теллурида свинца. Коммутационные шины 3 выполня-. ются из никеля (предпочтительно толщиной

0,9 — 1,2 мм). Электроизоляционная проставка изготавливается из материалов, обладающих наряду с хорошимИ электроизоляционными свойствами достаточной термостойкостью, например, из слюды, полиимида, предпочтительно из асбеста.

Пример. При комнатной температуре из порошков полупроводниковых материалов (тройные сплавы на основе теллурида висмута) прессовались ветви при давлении

4 т/см, размеры ветвей: сечение 3 х 3 мм, высота 5 мм. Между ветвями размещалась прослойка из листового асбеста толщиной

0,2 мм, которая приклеивалась к их боковым поверхностям каплями эпоксидной смолы, при этом торцевуо поверхность проставки размещали заподлицо с торцевыми поверхностями ветвей. Затем через окно в листе, имеющем форму, соответствующую коммутационной шине проводилось газоплазменное напыление никеля с использованием плазменной установки УПУ-ЗД. В зону плазмообразования подавали провод из никеля диаметром 0,8 мм со скоростью 1,7 мм/с, при этом затрачиваемая мощность плазмотрона составляла 8 кВт при расходе аргона

25л/мин. Напыляли слой никеля толщиной

1 мм. Полученную заготовку из холоднопрессованных ветвей с никелевой шиной (предварительно напыление никеля проводили на противоположную торцевую поверхность каждой ветви) в течение 80 мин отжигали в атмосфере аргона при температуре 450 C. Измерение характеристик изготовленного термоэлемента показало, что его термо-ЭДС соответствует характеристикам базового обьекта, а сопротивление коммутационных соединений составило менее

37ь от внутреннего сопротивления ветвей.

Изготовленный термоэлемент (см. фиг.

1) работает следующим образом. На "горя5 чую" коммутационную шину 3 поступает тепловой поток, который, проходя через полупроводниковые ветви 1, 2,создает на них перепад температур и за счет эффекта 3еебека генерируется термо-ЭДС и с крайних

10 коммутационных шин термоэлемента (на чертеже не указаны) в полезную нагрузку поступает вырабатываемая термоэлемен, том электрическая энергия. При нагреве "горячих спаев" термоэлемента происходит

15 термйческое расширение коммутационных шин 3, средняя часть которой опирается нэ торцевую поверхность 5 электроизоляционной проставки 4. При длительной эксплуатации (1000 ч и более) не наблюдалось

20 ухудшения характеристик термоэлемента, Формула изобретения

1. Способ изготовления термоэлементов, выполненных преимущественно из

25 тройных сплавов на основе теллурида висмута, включающий операции прессования при комнатной температуре ветвей из порошков полупроводниковых материалов и коммутации ветвей посредством газоплаз30 мен ного напыления никеля на торцевые поверхности ветвей, отличающийся тем, что газоплазменное напыление никеля проводят одновременно на торцевые поверхности ветвей и электроизоляционной

35 простввки, расположенной между ветвями, а затем осуществляют дополнительное упрочнение. включающее термообработку.

2. Способ по и. 1, отл и ч а ю щи и с я тем, что при газоплазменном напылении в

40 зону плазмообразования подают заготовку в виде провода из никеля диаметром 0,7-1,1 мм со скоростью 1.3-1,9 мм/с, при этом устанавливают параметры режима плазмообразования: мощность 6,2-9,5 кВт, расход инертного газа 20-35 а/мин.

45 3. Способ по и. 1. отличающийся тем, что дополнительное упрочнение проводят путем отжига в инертной атмосфере при

430-460 С в течение 1-1,5 ч.

4. Способ по и. 1. отличающийся

50 тем, что дополнительное упрочнение осуществляют горячим прессованием при 370400 С, давлении 3-4 т/см в течение 5-10 мин..

1836755

Ъ г<

4 2

Фиг.2

Составитель Т.Щукина

Техред М.Моргентал Корректор С.Патрушева

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент"., г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3024 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5