Способ снятия зависимости т=f(i) для ветви термоэлемента

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к способам снятия характеристики ΔТ=f(I) (зависимости перепада температуры ветви термоэлемента от электрического тока). Технический результат: устранение необходимости проведения измерений для ветвей, уже собранных в термоэлемент, повышение точности измерений. Сущность: исследуемая ветвь помещается в вакуумированную камеру. Одна из торцевых поверхностей ветви контактирует с термостатируемой коммутационной пластиной. Со второй торцевой поверхностью ветви контактирует эталонный образец в виде гибкой высокотеплопроводной шины, свободный конец которой контактирует со второй коммутационной пластиной, охлаждаемой холодильником с регулируемой холодопроизводительностью. В местах контакта эталонного образца с исследуемой ветвью и второй коммутационной пластиной установлены соответственно два спая дифференциальной термопары, электрически связанной с компенсационным микровольтметром или ноль-органом. Пропускают через цепь: первая коммутационная пластина - исследуемая ветвь - эталонный образец - вторая коммутационная пластина электрический ток. Снимают сигнал с дифференциальной термопары, выставляют его на нуль путем изменения температуры второй коммутационной пластины холодильником. При равенстве данного сигнала нулю регистрируют перепад температуры по высоте ветви. Холодопроизводительность ветви определяют из соотношения: Q₀=IU/2, где I и U соответственно ток и падение напряжения на гибкой шине, измеряемое дополнительным микровольтметром. Для снятия зависимости ΔТ=f(I) при нулевой холодопроизводительности дифференциальную термопару выполняют в виде трехслойной коммутационной пластины, изготовленной из пластин меди-константана-меди, и помещают между исследуемой ветвью и эталонным образцом. Медные пластины с помощью медных контактных проводов подключают к компенсационному микровольтметру. 2 ил.

 

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к способам снятия характеристики ΔT=f(I) (зависимости перепада температуры ветви термоэлемента от электрического тока) для единичных ветвей, изготовленных из термоэлектрического материала, для последующего подбора их в термоэлемент.

Для расчета и проектирования термоэлектрических охлаждающих устройств и генераторов электроэнергии необходим выбор полупроводниковых ветвей «р» и «n» типов для изготовления единичных термоэлементов.

В практике термоэлектрического приборостроения используется способ подбора ветвей «р» и «n» типа по обеспечиваемому ими максимальному перепаду температур путем изготовления из них (веществ) ветвей, составления термопары, снятия зависимости перепада температур ΔT от тока питания I и определения максимального перепада температур ΔТ_max при оптимальном токе I_опт [1].

Известен способ снятия зависимости ΔT=f(I), состоящий в следующем [2]. Термоэлемент, подлежащий измерению, помещается в вакуум не более 10^-4 Торр. Температура горячего спая термоэлемента стабилизируется потоком воды, температура которой в свою очередь статируется каким-либо термостатом, предназначенным для этих целей. На холодный и горячий спай помещаются соответственно две термопары, подключенные к микровольтметру. Процесс измерения зависимости ΔT=f(I) состоит в пропускании через термоэлемент электрического тока, изменении его и фиксировании перепада температур ΔT между спаями для каждого значения электрического тока.

Недостатками данного способа являются: проведение измерений для ветвей, уже собранных в термоэлемент, что не позволяет производить их подбор по оптимальному значению электрического тока, а также наличие паразитных теплопритоков, что сказывается на точности снятия зависимости ΔT=f(I).

Для устранения данных недостатков предлагается способ снятия зависимости ΔT=f(I) для исследуемой ветви, заключающийся в термостатировании одной из ее торцевых поверхностей, контактирующей с первой коммутационной пластиной, и контакта ко второй торцевой поверхности (противоположной первой) эталонного образца, выполненного в виде высокотеплопроводной гибкой шины, свободный конец которой контактирует со второй коммутационной пластиной, охлаждаемой холодильником с регулируемой холодопроизводительностью, причем в местах контакта эталонного образца с исследуемой ветвью и второй коммутационной пластиной установлены соответственно два спая дифференциальной термопары, электрически связанной с компенсационным микровольтметром или ноль-органом, пропускании сквозь последовательную цепь: первая коммутационная пластина - исследуемая ветвь термоэлектрического материала («р» или «n» типа) - эталонный образец - вторая коммутационная пластина электрического тока, снятии сигнала с дифференциальной термопары, выставлении его на нуль путем изменения температуры второй коммутационной пластины холодильником и при равенстве данного сигнала нулю регистрации перепада температуры по высоте ветви термоэлектрического материала при конкретных значениях электрического тока, измеряемого амперметром. Холодопроизводительность исследуемой ветви определяют из соотношения:

Q₀=IU/2,

где I и U соответственно ток и падение напряжения на гибкой шине, измеряемое дополнительным микровольтметром, для снятия зависимости ΔT=f(I) при нулевой холодопроизводительности (Q₀=0) дифференциальную термопару выполняют в виде трехслойной коммутационной пластины, изготовленной из пластин меди-константана-меди и помещают между исследуемой ветвью и эталонным образцом - гибкой шиной, причем медные пластины с помощью медных контактных проводов подключают к компенсационному микровольтметру. Дальнейшие действия в этом случае аналогичны предыдущему.

Схемы, иллюстрирующие процедуры снятия зависимости ΔT=f(I), приведены на фиг.1-2.

На фиг.1 изображены: термостатируемая коммутационная пластина 1, контактирующая с первой торцевой поверхностью исследуемой ветви 2, гибкая высокотеплопроводная шина (эталонный образец) 3, одним концом контактирующая со второй торцевой поверхностью исследуемой ветви, а вторым - со второй коммутационной пластиной 4, охлаждаемой холодильником 5 с регулируемой холодопроизводительностью, дифференциальная термопара 6, измерительные спаи 7 которой установлены в местах контакта эталонного образца 3 с ветвью термоэлемента 2 и второй коммутационной пластиной 4, сигнал с которой подается на компенсационный микровольтметр (на схеме не показан), контактные провода 9 подключены ко второму микровольтметру (на схеме не показан). Все устройство помещено в вакуумируемый объем 8. Коммутационные пластины 1 и 4 соединяются с регулируемым источником электрического тока через амперметр (на схеме не показаны).

На фиг.2 изображены: термостатируемая коммутационная пластина 1, контактирующая с первой торцевой поверхностью исследуемой ветви 2, вторая торцевая поверхность которой контактирует с дифференциальной термопарой 6, выполненной в виде коммутационной пластины, изготовленной из пластин меди-константана-меди, которая в свою очередь контактирует с первым концом гибкой шины 3, второй конец которой контактирует со второй коммутационной пластиной 4, охлаждаемой холодильником 5 с регулируемой холодопроизводительностью, контактные медные провода от медных пластин дифференциальной термопары подключены к компенсационному микровольтметру (на схеме не показан). Все устройство помещено в вакуумируемый объем 8.

Снятие зависимости ΔT=f(I) (согласно схеме, изображенной на фиг.1) производится при пропускании через систему электрически последовательно соединенных коммутационной пластины 1, исследуемой ветви 2, эталонного образца 3, коммутационной пластины 4 электрического тока, снятии сигнала с дифференциальной термопары 6, выставлении его на нуль путем изменения температуры второй коммутационной пластины 4 за счет регулировки холодопроизводительности холодильника 5 и при равенстве данного сигнала нулю регистрации перепада температуры по высоте исследуемой ветви термоэлектрического материала 2 при конкретных значениях электрического тока.

Однако в этом случае зависимости ΔT=f(I) не достигают своих максимумов за счет того, что в эталонном образце - гибкой шине имеет место выделение Джоулевой теплоты, определяемой соотношением:

Q_дж=IU,

где I и U - значения тока и падения напряжения на гибкой шине, измеряемые амперметром и вторым микровольтметром, подключенным к контактным проводам 9, соединенным с концами гибкой шины. На концах гибкой шины поддерживаются одинаковые температуры за счет холодопроизводительностей исследуемой ветви и холодильника. Считая постоянными теплофизические свойства материала гибкой шины по ее длине, получаем, что теплота Джоуля, выделяющаяся в ней, поровну распределяется на ветвь термоэлемента и холодильника при равенстве нулю перепада температур на ее концах. Об этом свидетельствует равенство нулю сигнала на выходе дифференциальной термопары. Следовательно, в этом случае холодопроизводительность Q₀ ветви термоэлемента будет определяться из соотношения:

Q₀=Q_дж/2=IU/2.

Для снятия зависимостей ΔT=f(I) при нулевой холодопроизводительности исследуемых ветвей между исследуемой ветвью и гибкой шиной помещают коммутационную пластину, выполненную трехслойной из меди-константана-меди, выполняющую роль дифференциальной термопары. Медные пластины коммутационной пластины с помощью медных проводов подключают к компенсационному микровольтметру - ноль-органу.

Во втором случае выделяющаяся теплота в гибкой шине полностью отводится холодильником, так как при равенстве нулю сигнала с дифференциальной термопары, выполненной в виде трехслойной коммутационной пластины, перепад температур на константановой пластине, заключенной между медными пластинами, будет равен нулю, следовательно, равна нулю тепловая нагрузка на исследуемую ветвь: Q₀=λ_кΔT_к/d_к=0 при ΔT_к=0. Здесь λ_к, ΔT_к, d_к - соответственно коэффициент теплопроводности, перепад температур и толщина константановой пластины.

По снятым зависимостям ΔT=f(I) определяются оптимальные значения токов для заданных геометрических размеров ветвей термоэлементов. Затем оптимальный подбор ветвей р- и n-типа в термоэлемент осуществляют по максимумам зависимостей ΔT=f(I) для ветвей обоих типов при одинаковых значениях токов или путем соответствующего изменения геометрических размеров ветвей р- или n-типов для обеспечения равных значений токов обеих ветвей (при реальных максимальных перепадах температур).

Использование холодильника с регулируемой холодопроизводительностью 5, приведенного в тепловой контакт с коммутационной пластиной 4, а также дифференциальной термопары 6, соединенной с микровольтметром, позволяет устранить ошибку в измерениях, связанную с наличием неконтролируемых теплопритоков на ветвь термоэлемента. А снятие зависимости ΔT=f(I) для каждой взятой в отдельности ветви термоэлемента позволяет повысить термодинамическую эффективность термопары, а следовательно, и термобатареи в целом, работающей как в режиме холодильника, так и в режиме термоэлектрического генератора за счет повышения точности подбора ветвей по току путем соответствующих изменений их геометрических размеров.

Проведенные испытания заявляемого способа показали следующее: из семи партий вещества р- и семи партий вещества n-типа подбирались в термоэлементы ветви путем исследования ΔТ_max, это потребовало времени 27 часов на испытание 14 ветвей, составленных из 14 партий веществ р- и n-типа. В известном способе необходимо измерить ΔТ_max термоэлементов, составленных из 14 партий веществ по 2. Это составляет 49 термоэлементов, на исследование которых затрачивается более 90 часов.

Эффективность изготовленных термоэлементов, ветви для которых подбирались с использованием вышеописанного способа снятия зависимости ΔT=f(I), оказалась в 1,2-1,25 раз выше, чем эффективность термоэлементов, ветви для которых подбирались по известному способу.

Литература

1. Покорный Е.Г., Щербина А.Г. Расчет полупроводниковых охлаждающих устройств. Л.: Наука, 1969, 206 с.

2. Булат Л.П., Ведерников М.В., Вялов А.П. и др. Термоэлектрическое охлаждение. СПб.: СПбГУНиПТ, 2002, 147 с.

Способ снятия зависимости ΔТ=f(I) для ветви термоэлемента, заключающийся в измерении перепада температуры исследуемой ветви термоэлемента, помещенной в вакуумированную камеру, одна из торцевых поверхностей которой контактирует с термостатируемой коммутационной пластиной, отличающийся тем, что со второй (противоположной первой) торцевой поверхностью ветви термоэлемента контактирует эталонный образец, представляющий собой гибкую высокотеплопроводную шину, свободный конец которой напаивают ко второй коммутационной пластине, которую охлаждают холодильником с регулируемой холодопроизводительностью, причем в местах контакта эталонного образца с ветвью термоэлемента и второй коммутационной пластиной устанавливают соответственно два спая дифференциальной термопары, электрически связанной с компенсационным микровольтметром или ноль органом, при этом измерение перепада температуры ветви термоэлемента для каждого конкретного значения электрического тока осуществляют при равенстве нулю сигнала с дифференциальной термопары, что осуществляют путем изменения температуры второй коммутационной пластины холодильником с регулируемой холодопроизводительностью, холодопроизводительность ветви определяют из соотношения

Q₀=IU/2,

где I и U - соответственно ток и падение напряжения на гибкой шине, измеряемое дополнительным микровольтметром, для снятия же зависимости ΔТ=f(I) при нулевой холодопроизводительности ветви (Q₀=0) дифференциальную термопару выполняют в виде трехслойной коммутационной пластины, изготовленной из пластин меди-константана-меди и помещают между исследуемой ветвью и эталонным образцом - гибкой шиной, причем медные пластины с помощью медных контактных проводов подключают к компенсационному микровольтметру, а зависимость ΔТ=f(I) устанавливают как и в первом случае.