Глава VI. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОХЛАЖДАЮЩИХ ПРИБОРОВ

Большинство термоэлектрических охлаждающих приборов состоит из трех основных конструктивных узлов: термоэлектрической батареи, рабочей камеры или поверхности и системы съема тепла от термобатареи. На определенном этапе создание каждого из этих узлов является самостоятельной задачей. Однако при конструировании прибора в целом необходимо учитывать тесную взаимосвязь этих трех элементов конструкции друг с другом.

В соответствии с этим рассмотрим основные принципы конструирования каждого из перечисленных узлов.

§ 1. ЕДИНИЧНЫЙ ТЕРМОЭЛЕМЕНТ

Любая термоэлектрическая батарея состоит из ряда последовательно или параллельно соединенных термоэлементов. Сам термоэлемент состоит из двух ветвей, одна из которых обладает электронной, а другая — дырочной проводимостью. Ветви термоэлемента соединяются друг с другом посредством коммутационных пластин. От правильного конструктивного решения единичного термоэлемента в значительной степени зависит качественная работа всего термоохлаждающего устройства.

Основным требованием, которому должна удовлетворить рациональная конструкция термоэлемента, является устранение или значительное уменьшение механических напряжений, возникающих в последнем в результате сжатия холодных и расширения горячих коммутационных пластин.

Действительно, в термоэлементе образующие его ветви сверху соединены припаянной к ним коммутационной пластиной. Снизу также посредством пайки они соединяются с коммутационными пластинами, которые через электроизолированные теплопереходы припаиваются к теплоотводящей системе. Таким образом, отдельные части термоэлемента, выполненные из материалов с разными физическими свойствами, оказываются жестко связанными друг

с другом. К этому следует добавить, что коммутационные пластины изготавливаются из материала с хорошей тепло- и электропроводностью и соответственно с большим коэффициентом линейного расширения.

При подключении к термоэлементу питающего напряжения верхняя коммутационная пластина начинает охлаждаться и соответственно сжиматься. Нижняя, наоборот, начинает нагреваться и расширяться. В результате этого возникает пара сил. Под влиянием этих сил в термоэлементе создаются значительные механические напряжения, которые могут привести к разрушению последнего.

Рис. 21. Конструкции термоэлементов, предусматривающие снижение механических напряжений.

Поскольку полностью устранить механические напряжения не представляется возможным, было разработано несколько конструкций термоэлементов, в которых механические напряжения снижены настолько, что они не приводят к выходу термоэлемента из строя. Одна из них предусматривает использование возможно более короткой холодной коммутационной пластины. В соответствии с этим ветви термоэлемента не должны быть далеко разнесены одна от другой.

Второй из возможных конструктивных вариантов термоэлемента заключается в том, что холодная коммутационная пластина изготавливается в виде рессоры (рис. 21, а). В этом случае под влиянием возникающих в термоэлементе механических напряжений она будет изгибаться, не выходя за пределы упругой деформации. Естественно, что сечение рессоры должно быть таким, чтобы проходящий через нее рабочий ток не выделял заметного количества джоулева тепла.

На рис. 21, в изображена другая конструкция холодной коммутационной пластины, в которой сделано два идущих друг другу навстречу смещенных тонких пропила. В месте образуется достаточно тонкая перемычка небольшой длины, выполняющая роль упругой пластины. Благодаря незначительной длине перемычка не вносит значительного сопротивления в электрическую цепь термоэлемента.

Другой путь уменьшения вредного влияния механических напряжений, возникающих в термоэлементе, предусматривает создание демпфирующих слоев между ветвями термоэлемента и коммутационными пластинами. Демпфирующий слой должен быть

изготовлен из материала, обладающего достаточной пластичностью и малым омическим сопротивлением.

На рис. 21, б показан термоэлемент, в котором роль демпфера выполняют сравнительно толстые прослойки висмута 3 и 5, нанесенные на ветви термоэлемента 4 и 8. Црипайка ветвей к коммутационным пластинам 1 и 7 осуществляется легкоплавким коммутационным сплавом 2 и 6.

В рассмотренной конструкции термоэлемента толщина слоя висмута не должна превышать 0.2-0.3 мм, так как в противном случае этот слой будет обладать заметным электрическим сопротивлением. В качестве демпфирующего слоя можно использовать тонкие свинцовые прокладки, помещенные между полупроводником и коммутационными пластинами.

На рис. 21, г изображена конструкция подобного термоэлемента. К обеим ветвям 3, предварительно залуженным легкоплавким коммутационным припоем, припаиваются свинцовые пластинки 2 и 4. Затем к ним припаиваются верхняя 1 и нижняя 5 коммутационные пластины. В результате хорошей пластичности свинца применение таких демпфирующих прокладок практически полностью снимает механические напряжения, возникающие в термоэлементе.