Многоэлементный термоэлектрический преобразователь

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Шепелевич Василий Григорьевич Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Многоэлементный термоэлектрический преобразователь, содержащий герметизированный корпус, в котором размещены резистивный нихромовый нагреватель с парой контактов, термобатарея, состоящая изтермопар, электрически соединенных последовательно,миниатюрные ветви которой имеют различные термоэлектрические свойства, обладающие - и -типом проводимости с горячими и холодными спаями, и пара контактов к ним,отличающийся тем, что ветви термопар выполнены толщиной от 40 до 80 мкм в виде тонкой фольги сплавов висмута с сурьмой, -типа, и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, с однородным распределением компонентов или дисперсных фаз, Фиг. 1 100932014.06.30 причем ветви термопар пространственно расположены в виде гармошки или в одной плоскости, а резистивный нагреватель выполнен из тонкой проволоки нихрома, намотанной между двух капиллярных теплопроводных трубок, пространственно контактирующей с горячими спаями ветвей термопар корпус выполнен из металлической фольги с высокой теплопроводностью, покрыт слоем окисла или изоляционной пленкой, пространственно контактирующей с холодными спаями термопар.(56) 1. Патент 1828725 3, МПК 01 35/32, 2006. 2. Патент 2008750 2, МПК 01 35/34, 1994 (прототип). 3. Шепелевич В.Г., Цзинцзе Ван. Структура, микротвердость и стабильность быстрозатвердевших фольг сплавов системы - // Неорганические материалы. - 2010. - Т. 46.4. - С. 393-397. Заявляемая полезная модель относится к области приборостроения, а именно может использоваться в термоэлектрических приборах, в частности в термоэлектрических преобразователях для измерения среднеквадратичных значений напряжения и тока. Известно устройство 1, в котором реализован дифференциальный пленочный многоэлементный термоэлектрический преобразователь. Он состоит из герметизированного корпуса, в котором размещены диэлектрическая подложка из оксидированного алюминия,на одной стороне которой сформирован пленочный нихромовый нагреватель, выполненный из резистивного материала состава Х 2 ОН 80, с контактами к нему, а на второй - термобатарея, состоящая из термопар, ветви которой имеют различные термоэлектрические свойства изи , обладающие - и -типом проводимости, с горячими и холодными спаями, а также контакты к ним. Недостатком данного устройства является наличие диалектической подложки из алюминия толщиной 0,007 мм, покрытой оксидом алюминия, по которой в процессе работы теплопередачей распространяются значительные тепловые потоки, приводящие к значительному снижению градиента температур между холодными и горячими спаями пленочных термопар термочувствительных элементов, которые ухудшают чувствительность термоэлектрического преобразователя. Срок службы, воспроизводимость и временная стабильность такого термопреобразователя также недостаточны. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является многоэлементный термоэлектрический преобразователь, описанный в 2 (прототип). Устройство 2 включает диэлектрическую подложку из оксидированного алюминия,на ней - каскад из пленочного нихромового нагревателя, выполненного из резистивного материала состава Х 2 ОН 80 толщиной 0,8 мкм и с контактами к нему, термобатарею, состоящую из 30 термопар, электрически соединенных последовательно, миниатюрные ветви которой имеют различные термоэлектрические свойства и выполнены из (, )23 и 2(, )3, обладающие - и -типом проводимости с горячими и холодными спаями, а также контакты к ним, герметизацию корпуса. Недостатком прототипа является наличие диэлектрической подложки из алюминия,покрытой оксидом алюминия, по которой в процессе работы теплопередачей распространяются значительные тепловые потоки, приводящие к значительному снижению градиента температур между холодными и горячими спаями пленочных термопар термочувствительных элементов, которые ухудшают чувствительность термоэлектрического преобразователя. Кроме того, ввиду большой пористости (до 20 ) подложки из аморфного анодного оксида алюминия, значительного содержания в нем адсорбционных молекул воды и группв процессе работы термоэлектрического преобразователя происходит окисление полупровод 2 100932014.06.30 никового материала на границе раздела подложка - полупроводниковая пленка термопары. Последнее в конечном итоге приводит к деградации приборов и снижает их срок службы. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является увеличение чувствительности термопреобразователя и его срока службы за счет выполнения конструкции без использования для ветвей термопар какой-либо подложки. Многоэлементный термоэлектрический преобразователь содержит герметизированный корпус, в котором размещены резистивный нихромовый нагреватель с парой контактов, термобатарея, состоящая изтермопар, электрически соединенных последовательно,миниатюрные ветви которой имеют различные термоэлектрические свойства, обладающие - и -типом проводимости с горячими и холодными спаями и пара контактов к ним. Он отличается тем, что ветви термопар выполнены толщиной от 40 до 80 мкм в виде тонкой фольги сплавов висмута с сурьмой, -типа, и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, с однородным распределением компонентов или дисперсных фаз,причем ветви термопар пространственно расположены в виде гармошки или в одной плоскости, а резистивный нагреватель выполнен из тонкой проволоки нихрома, намотанной между двух капиллярных теплопроводных трубок, пространственно контактирующей с горячими спаями ветвей термопар корпус выполнен из металлической фольги с высокой теплопроводностью, покрыт слоем окисла или изоляционной пленкой, пространственно контактирующей с холодными спаями термопар. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной в заявляемой полезной модели задачи. По мнению авторов, многоэлементный термоэлектрический преобразователь содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной комплексной задачи по сравнению с прототипом и выявленными аналогами. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 схематично представлен термоэлектрический преобразователь в разрезе, для варианта, когда ветви термопар пространственно расположены в одной плоскости. На фиг. 2 изображено пространственное расположение нескольких термопар по типу гармошки. Многоэлементный термоэлектрический преобразователь содержит герметизированный корпус 1, выполненный из металлической фольги с высокой теплопроводностью, покрытый слоем окисла или изоляционной пленкой 2, в котором размещены резистивный тонкопроволочный нихромовый нагреватель 3 с парой контактов, причем 3 намотан между двух капиллярных теплопроводных трубок - внутренней 4 и внешней 5, термобатарея,состоящая изтермопар 6, электрически соединенных последовательно, миниатюрные ветви которой имеют различные термоэлектрические свойства, обладающие - и -типом проводимости с горячими и холодными спаями, и пара контактов к ним 7 и 8. Ветви термопар пространственно расположены в виде гармошки, изготовлены толщиной от 40 до 80 мкм в виде тонкой фольги сплавов висмута с сурьмой, -типа, и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, с однородным распределением компонентов или 3 100932014.06.30 дисперсных фаз, полученных, например, сверхбыстрым охлаждением расплавленной капли сплава 3. Ветви термопар 6, обладающие - и -типом проводимости, микропайкой соединены коммутационным металлом 9, например индием, и изолированы друг от друга герметизирующим компаундом 10, имеющим незначительную теплопроводность. Многоэлементный термоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При прохождении тока или подаче электрического напряжения на нихромовый нагреватель 3 последний нагревается вместе с капиллярными трубками 4, 5 вследствие выделения джоулевого тепла, которое пропорционально среднеквадратичным значениям тока или напряжения. Горячие спаи ветвей термопар 6, пространственно контактирующие с внешней капиллярной трубкой 5, также нагреваются, а холодные спаи ветвей термопар 6, расположенные в непосредственной близости от корпуса 1, имеют более низкую температуру. Возникший градиент температур между холодными и горячими спаями ветвей термопар 6 преобразуется по эффекту Зеебека в термо-ЭДС, снимаемую с контактов 7 и 8. Поскольку термопары соединены в батарею последовательно, то значение термо-ЭДС пропорционально числу термопари среднеквадратичным значениям измеряемого тока или напряжения. Таким образом, реализована конструкция без использования какой-либо подложки под термопары, и в то же время термопары выполнены не массивными, а фольговыми с однородным распределением компонентов или дисперсных фаз, что приводит к улучшению термоэлектрических параметров и повышению прочностных свойств. Следовательно, заявляемая полезная модель относится к области приборостроения, а именно может использоваться в термоэлектрических приборах, в частности в термоэлектрических преобразователях для измерения среднеквадратичных значений напряжения и тока. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4