Плоские модули и батареи ТЭГ

Первый и простейший термомодуль — обыкновенная термопара, составленная из двух разнородных металлов. Несмотря на крайне низкий к. п. д. металлической термопары, этот модуль используется в ТЭГ малой мощности, в которых необходимо получить, возможно, большее напряжение при малом токе, стоимость которого играет основную роль при выборе конструктивной и технологической схем устройства. Известно, что металлы и технология создания металлических термопар значительно дешевле полупроводниковых термоэлектрических материалов и технологии создания термоэлементов. И, наконец, в перспективе могут быть созданы эффективные термоэлектрические материалы в виде проволок и, следовательно, модули такого типа.

На следующем этапе развития термомодулей был создан комбинированный термоэлемент, одна ветвь которого — металлическая проволока, а другая — полупроводниковый материал, изготовленный в виде брикета. Например, пара ZnSb — константан, в которой положительная ветвь изготовлена в виде параллелепипеда из ZnSb, а отрицательная — из запрессованной в него константановой проволоки. Преимущества этого модуля — удачная развязка механических и термических напряжений за счет свободно размещенной константановой проволоки, отсутствие коммутационных слоев, простота изготовления и возможность широкой механизации при одновременном изготовлении термобатарей. Важный положительный фактор работы этого модуля заключается в том, что контакт, а следовательно, и механическое, и химическое согласование с материалами конструкции осуществляются только с одним типом материала (здесь ZnSb). Это значительно облегчает создание конструкции ТЭГ, работающего длительное время.

Недостатки — сравнительно низкая добротность, так как добротность металлической ветви много ниже полупроводниковой и неполное использование подведенного к термоэлементу перепада температур. Из схемы видно, что рабочая часть модуля заключена между местами запрессовки константана в ZnSb, а участки полупроводникового брикета от поверхностей нагрева и охлаждения до мест запрессовки термодинамически паразиты. Однако, несмотря на отмеченные недостатки, такие модули широко применялись в первых, серийно изготавливаемых в СССР керосиновых ТЭГ типа ТГК, причем отмеченные положительные особенности термоэлемента позволили получить экономичность всего устройства, не превзойденную до сего времени ни одним из действующих типов ТЭГ.

Наибольший возможный к. п. д. может быть получен в термомодуле; собой полупроводники р- и п-типов. Наиболее распространен модуль, который можно условно назвать жестким. Он представляет собой параллелепипед, составленный из двух разнородных полупроводниковых брикетов, разделенных изоляционной, прокладкой. Полупроводниковые брикеты соединены по горячей стороне коммутационной шиной. На холодной стороне коммутационные шины прикреплены к каждому брикету отдельно и служат для соединения с соседними термоэлементами. Такой модуль можно изготовлять несколькими технологическими способами. Наиболее простой способ — раздельное прессование полупроводниковых брикетов р- и я-типов с последующим -соединением пайкой (низкотемпературных материалов) или диффузионной сваркой (средне- и высокотемпературных материалов). Поскольку трудно подобрать припои для соединения термоэлектрических материалов с коммутационными, то к полупроводниковым брикетам припрессовываются различные переходные (или коммутационные) слои. Часто эти слои обеспечивают плавный переход коэффициентов расширения от полупроводника к коммутации.

Другой способ состоит в одновременном прессовании термомодуля, включая полупроводниковые брикеты, изоляционную прослойку между ними, переходные слои и коммутационные шины. Прессование обычно проводится в два приема: холодное брикетирование и последующее горячее прессование. Термомодули соединяются между собой по холодной стороне обычно пайкой. Этот способ чаще применяется при изготовлении низкотемпературных термобатарей.

Термомодули, изготовленные обоими способами включают в себя и электрическую изоляцию, которая, как правило, выполняется в виде теплопроводящих пластин из А120з или ВеО и прикрепляется с одной стороны к термоэлементу, а с другой — к горячей или холодной стенке конструкции пайкой или диффузионной сваркой через переходные слои, обеспечивающие надежный тепловой, механический и химический контакт и плавный переход коэффициентов линейного расширения. Учитывая их большое различие (в 2—3 раза) у полупроводника и изолятора, изолятора и металла конструкции, количество переходных слоев может быть достаточно велико, что приводит к снижению термодинамического к. п. д. ТЭГ. Поскольку такой модуль является монолитной конструкцией от источника тепла до холодильника, то он и был назван жестким, в отличие от конструкции модуля, в котором переход от полупроводника к холодильнику и нагревателю осуществляется прижимом.

Наиболее характерный пример такого прижимного. Этот модуль состоит из значительного числа деталей. Коммутационная пластина горячего спая выполнена в виде чашечки, в которую вставляется полупроводниковая ветвь термоэлемента п- или р-типа. Полупроводник с коммутационной пластиной соединен при помощи переходных слоев. На холодной стороне полупроводник вставлен в коммутационную пластину в виде чашечки, которая через специальный переход соединяется с пружинно-оплеточным устройством. Оно представляет собой пружину из толстой проволоки, внутри которой проходит гибкая тепло- и токопроводящая оплетка, позволяющая вместе с пружиной эффективно передавать тепло от полупроводника к холодильнику. Это устройство основа данного типа термомодуля, так как надежно прижимает все элементы и тем самым обеспечивает электрический и тепловой контакты между слоями и компенсирует механические и термические напряжения, возникающие в конструкции.

Полупроводниковые ветви в таком модуле могут быть прессованными или литыми, причем его конструкция не допускает плотного расположения полупроводников. Это вызывает необходимость концентрировать подводимую тепловую энергию в местах контакта полупроводника и неизбежные тепловые потери в конструкции ТЭГ. Термодинамический к. п. д. также уменьшается вследствие паразитного перепада температур в пружинно-оплеточном устройстве. Однако эти недостатки компенсируются надежностью длительно» работы прижимного термомодуля, и его принцип широко применяется в различных ТЭГ.

Дата публикации: 04.04.2012

Похожие записи:

• Короткозамкнутая конструкция ТЭГ
• Радиальная и шаровая конструкции ТЭГ
• Термоэлектрогенератор: модули и батареи
• Россию и Германию соединила первая ветка «Северного потока»
• Газ вместо бензина – плюсы и минусы
• Оптовая продажа нефтепродуктов