початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2009577

Низькотемпературні Термічні елементи та СПОСІБ ЙОГО ВИГОТОВЛЕННЯ

Ім'я винахідника: Копаев В'ячеслав Георгійович; Батрак Ігор Костянтинович
Ім'я патентовласника: Копаев В'ячеслав Георгійович; Батрак Ігор Костянтинович
Адреса для листування:
Дата початку дії патенту: 1991.06.28

Область використання: пряме перетворення теплової енергії в електричну. Суть винаходу: в низькотемпературному термоелементі, гілки якого виконані з потрійних сплавів на основі телуриду вісмуту, комутаційні шари виконані з заліза або його сплавів і приєднані до торцевих поверхонь гілок, а середня частина комутаційного шару розташована на торцевій поверхні електроізоляційної прошарку. Комутаційні шини приєднані до комутаційних верствам, при цьому співвідношення товщини комутаційного шару і висоти комутаційної шини вибирають в межах 1: 3 - 10. При виготовленні термоелемента після пресування гілок з порошків напівпровідникових матеріалів при кімнатній температурі на їх торцеві поверхні за допомогою газоплазмового напилення наносять комутаційний шар і потім комутаційну шину, після чого проводять зміцнення за допомогою відпалу або "гарячого" пресування. Наводяться оптимальні режими газоплазмового напилення і зміцнення.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до області прямого перетворення і може бути використано в низькотемпературних термоелементах (т. Е. В термоелементах, температура гарячих спаїв яких при експлуатації не перевищує 300 ^о С), гілки яких виготовлені з потрійних сплавів на основі телуриду вісмуту.

Відомий низькотемпературний термоелемент, що містить напівпровідникові гілки n- і р-типу, виготовлені з потрійних сплавів, комутаційні шари на основі антімоніда вісмуту і комутаційні шини з міді [1].

Недоліком відомого термоелемента є висока вартість, яка обумовлена ​​використанням в якості матеріалу комутаційного шару трехкомпонентного з'єднання, а й дорожнечею технологічного процесу комутації, що включає газотермічне розпорошення в глибокому вакуумі антімоніда вісмуту.

Найбільш близьким за технічною сутністю і досягається результату до описуваного низькотемпературного термоелемента є термоелемент, що містить напівпровідникові гілки n- і p-типів провідності, виконані з потрійних сплавів на основі телуриду вісмуту, приєднані до них комутаційні шари і комутаційні шини і електроізоляційну прошарок, розміщену між гілками [2].

У відомому термоелементі висока вартість визначається, з одного боку, значною вартістю матеріалу комутаційного шару, який у відомому елементі виконується у вигляді спресованих пластин з антімоніда нікелю (товщиною 0,5-0,8 мм) з добавкою пластифікатора, оскільки вартість такого матеріалу комутаційного шару порівнянна з вартістю напівпровідникового матеріалу гілок; з іншого боку, підвищена вартість термоелемента пояснюється високою вартістю технологічного процесу комутації з гілками комутаційних шарів і комутаційних шин і подальшої "раскоммутаціі".

Найбільш близьким до запропонованого способу є спосіб комутації пресованих термоелементів зі сплаву Bi ₂ Te ₃ за допомогою газоплазмового напилення шару комутаційних матеріалів на поверхні термоелементів [3].

Метою винаходу є зниження вартості низькотемпературного термоелемента при одночасному підвищенні технологічності його виготовлення.

Зазначений в цілі позитивний ефект забезпечується за рахунок того, що вдалося істотно знизити вартість матеріалу комутаційного шару, оскільки вартість заліза і його сплавів, з якого в заявленому термоелементі виконуються комутаційні шари, більш ніж на порядок менше вартості матеріалу комутаційного шару в відомому термоелементі, і товщина його (0,1-0,25 мм) в кілька разів менше товщини комутаційного шару (0,5-0,8 мм) у відомому термоелементі, розміщення середній частині комутаційного шару на торцевій поверхні електроізоляційної прошарку сприяє зниженню вартості, оскільки електроізоляційна прошарок служить опорним елементом і це дозволяє вибрати товщину комутаційного шару мінімально необхідної для створення надійного бар'єру (експериментально встановлено, що ресурс в кілька років забезпечують комутаційні шари товщиною 0,1-0,25 мм), а зниження товщини цього шару сприяє зниженню його вартості.

Для отримання мінімальних втрат в комутаційних шинах переважно їх виготовляти з матеріалів, що володіють хорошою адгезією до заліза і високу електропровідність, наприклад з алюмінію, нікелю і т. П. Переважно з урахуванням електричного опору матеріалу висоту комутаційних шин вибирати в межах 0,75-1 мм , що визначає оптимальний діапазон відносини товщини комутаційного шару до висоти комутаційної шини в межах 1: 3-10, так як при меншому відношенні можуть різко збільшитися сумарні електричні втрати в комутації, а перевищення цих відносин більш ніж на порядок практично не призводить до зниження втрат і викликає збільшення вартості за рахунок тривалості процесу газоплазмового напилення матеріалу комутаційних шин.

Переважно комутаційні шари виконувати з заліза або його сплавів, наприклад з низьковуглецевих сталей (марка СТ 08, СТ 10, СТ 15, 09КП і т. П.), Оскільки для них експериментально встановлено високу ресурсна стабільність (ресурс - кілька років при експлуатації в інертному атмосфері при температурі гарячих спаїв 250 ^о с), майже ідеальний збіг коефіцієнтів термічного розширення цих матеріалів з КТР напівпровідникових потрійних сплавів, з яких виготовляються гілки, і, крім того, саме низьколегованісталі мають високу пластичність, що підвищує ресурсну стабільність при термоциклюванні.

Комутаційні шини переважно виготовляти з алюмінію або його сплавів, оскільки поряд з високою електропровідністю і дешевизною саме ці матеріали мають чудову адгезію до заліза і його сплавів при газоплазмового напилення його.

Використання прошарку висотою менше гілки і виконання торцевої поверхні дугоподібної дозволяє до мінімуму знизити товщину комутаційних з'єднань і, відповідно, вартість, оскільки автоматично формується зиг і це дозволяє отримувати високу механічну міцність при мінімальній товщині.

Зниженню вартості сприяє і використання способу виготовлення термоелемента, який складається з одночасного формування комутаційного шару і приєднання його до торцевих поверхонь гілок, безпосередньо за формуванням цього шару через 5-20 с приєднують комутаційні шини, газоплазмове напилення дозволяє швидко (менш хвилини) формувати комутаційний шар, що володіє відмінною адгезією з матеріалом холоднопресовані напівпровідникових гілок; проміжок часу між нанесенням комутації шару і подальшим нанесенням матеріалу комутаційної шини вибирати менше 5 с недоцільно, так як за менший час практично неможливо перейти до газоплазмового напилення іншого матеріалу (перевірено експериментально), а при інтервалі більше 20 з виходить зайве окислення нанесеного шару, і в Водночас протягом 5-20 с цілком вдається переключитися на напилення матеріалу комутаційної шини (наприклад, зупиняючи подачу однієї заготовки і починаючи подачу інший заготовки).

Приєднання матеріалу комутаційної шини до матеріалу комутаційного шару і дозволяє істотно спростити технологічний процес комутації і відповідно знизити вартість термоелемента.

Заключна операція способу - зміцнення багатошарової системи напівпровідник - комутаційні шари - комутаційні шини з використанням термообробки. Переважно при газоплазмового напилення комутаційних шарів подавати в зону плазмоутворення заготовку з заліза або його сплавів (в порівнянні з що зазвичай використовуються заготівлею у вигляді порошку використання дроти знижує вартість і, головне, усувається вплив окислення поверхні частинок порошку). Експериментально встановлено, що оптимальний діапазон діаметра подається проводу становить 0,5-1 мм, так як при меншому діаметрі утворюються дрібнодисперсні частинки, які погано розпорошуються через часткове згоряння, а при діаметрі, що перевищує 1 мм, спостерігається забивання сопла. Швидкість подачі дроту вибирають в межах 1-1,6 мм / с, так як при меншій швидкості подачі не забезпечується безперервність процесу напилення, і процес, відповідно, затягується, а при швидкості, що перевищує 1,6 мм / с, спостерігається непроплавленних окремих ділянок дроти і доводиться надмірно збільшувати затрачену потужність, що призводить до збільшення вартості виготовлення.

Експериментально встановлено режими газоплазмового напилення заліза на холоднопресовані напівпровідникові гілки або його сплавів (на прикладі низьколегованих сталей), так потужність, споживана плазматрон, вибирається в межах 7,6-12,0 кВт при струмі 320-400 А, оскільки при менших значеннях потужності ( і значеннях струму) не вдається домогтися досить рівномірного шару - утруднене отримання стійкої наноситься середовища, а при потужності більше 12 кВт (і струмі більше 400 а) не спостерігається подальше поліпшення якості напилюваного шару і збільшується витрата електроенергії, а, відповідно, і вартість.

Витрата інертного газу (зазвичай це аргон) вибирають в межах 25-40 л / хв, так як при меншій витраті спостерігається нестійкість утворюється струменя і процес напилення йде нестабільно.

Експериментально встановлено оптимальні параметри режиму газоплазменного нанесення алюмінію або його сплавів: швидкість подачі дроту 1,5-2 мм / с, діаметр дроту 0,8-1 мм, потужність 5-8 кВт, витрата газу 18-25 л / хв.

Експериментально оптимізовані процеси додаткового зміцнення одержуваних після газоплазмового напилення структур напівпровідник - комутаційні шари - комутаційні шини, що дозволяє поряд з підвищенням ефективності поліпшити термомеханічну міцність. Так, при зміцненні за допомогою відпалу температуру відпалу вибирають в межах 400-450 ^о С. В результаті саме при таких температурах забезпечується хороше додаткове зчеплення частинок у всіх шарах термоелементів і шарів між собою. При менших температурах і часу відпалу менше 2 ч зміцнення недостатньо, при температурі понад 450 ^° С і часу менше 1 ч різко зростає сублімація напівпровідникового матеріалу. При використанні "гарячого" пресування тиск вибирають в діапазоні 3,5-4,5 т / ^см2, так як при менших тисках не забезпечується надійне зчеплення, а при тисках, що перевищують 4,5 т / ^см2, спостерігається Перепресовка - зайва повзучість гілок, аналогічно вплив температур, відповідних цим тискам, а тривалість процесу «гарячого» пресування вибирають в діапазоні 3-7 хв, при меншій тривалості процесу не спостерігається завершене формування структур, при більшому часу - Перепресовка.

На фіг. 1 зображений низькотемпературний термоелемент; на фіг. 2 - те ж з прямокутним зігом в комутаційної шини; на фіг. 3 - те ж з дугоподібним зігом.

Низькотемпературний елемент містить напівпровідникові гілки n- і p-типу 1 і 2, комутаційні шари 3-5, приєднані до них комутаційні шини 6-8, електроізоляційну прошарок 9 з торцевою поверхнею 10, кінець 11 електроізоляційної прошарку.

Напівпровідникові гілки n- і p-типів переважно виконувати з потрійних сплавів на основі телуриду вісмуту (n-тип Bi ₂ Te ₃ - Sn ₂ Te _3, p-тип Bi ₂ Te ₃ - Sb ₂ Te ₃ з легуючими домішками) як мають максимальну ефективністю в діапазоні 20-300 ^о С. Комутаційні шари 3-5 виконуються із заліза (з чистотою 99,9-99,7%) або його сплавів (переважно з низьковуглецевих сталей, наприклад з сталей марок СГ 08, СТ 10, СТ 15 , 09КП і т. д., як володіють максимальною пластичністю). Комутаційний шар 3 приєднаний за допомогою газоплазмового напилення до торцевих поверхонь гілок 1 і 2, які орієнтовані перпендикулярно напрямку пресування, причому середня частина комутаційного шару 3 розташована на торцевій поверхні електроізоляційної прошарку 9. Комутаційна шина 6 приєднана за допомогою газоплазмового напилення до комутаційного шару 3, а комутаційні шини 7 і 8 відповідно до комутаційних верствам 4 і 5. Електроізоляційна прошарок 9 може бути заглиблена по відношенню до торцевих поверхонь гілок 1 і 2 на глибину, що не перевищує товщини комутаційного шару 3 (див. фіг. 3), причому в цьому випадку переважно кінець комутаційної прошарку поєднувати з кутовими крайками гілок 1 і 2. Комутаційні шини 6-8 переважно виготовляти з алюмінію або його сплавів.

П р и м і р. При кімнатній температурі з порошків напівпровідникових матеріалів, виконаних з потрійних сплавів на основі телуриду вісмуту, при тиску Р ₁ = 5 т / см ² пресують гілки з поперечним перерізом 3х3 мм і висотою 5 мм. Гілки приклеюють краплями епоксидної смоли до прошарку з полиимида товщиною 0,3 мм, розташовуючи торцеву поверхню плівки врівень з поверхнею гілок. Потім на плазмової установки УПУ-3Д проводять газоплазмове напилення з використанням заготовки з дроту марки СТ 10, яка подається в зону плазмоутворення зі швидкістю 1,2 мм / с, при витрачається потужності 9 кВт, струмі 350 А і витраті аргону 30 л / хв. Проводять напилення комутаційного шару СТ 10 товщиною 0,15 мм на поверхню, перпендикулярну площині "холодного" пресування, - три проходи сопла над поверхнею гілок. Напилення проводять через вікно, що повторює форму комутаційної шини. Потім напилюють шар алюмінієвого сплаву АМЦ завтовшки 1 мм при наступних режимах: швидкість подачі дроту 1,5 мм / с, діаметр дроту 1 мм, потужність 5,5 кВт, витрата аргону 20 л / хв. Далі зазначені операції напилення комутаційних шарів з СТ10 і верств комутаційних шин з АМЦ проводять на протилежних поверхнях напівпровідникових гілок. На закінчення сформована заготовка віджигається при 440 ^° С протягом 100 хв в атмосфері аргону. Вимірювання характеристик виготовленого термоелемента показало, що термоЕРС його в перепаді 200 ^о С збігається з термоЕРС базового об'єкта, а опір комутаційних з'єднань менше на 1%.

Виготовлений низькотемпературний термоелемент (див. Фіг. 1) працює в такий спосіб. На гарячі спаї напівпровідникових гілок 1 і 2 через комутаційну шину 6 і комутаційний шар 3 надходить тепловий потік, що створює на гілках 1 і 2 перепад температур. За рахунок ефекту Зеєбека генерується термоЕРС, і з кінцевих комутаційних шин 7 і 8 в корисне навантаження надходить вироблювана електроенергія. При нагріванні до 250 ^° С відбувається термічне розширення комутаційної шини 6 і комутаційного шару 3, середня частина якого спирається на торцеву поверхню електроізоляційної прошарку 9. При тривалій експлуатації (2000 год і більше) не спостерігалося погіршення характеристик термоелемента. (56) 1. Авторське свідоцтво СРСР N 323823, кл. H 01 L 35/34, 1970.

2. Авторське свідоцтво СРСР N 704397, кл. H 01 L 35/04, 1978.

3. Авторське свідоцтво СРСР N 199946, кл. H 01 L 35/34, 1965.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Низькотемпературний термоелемент, що містить напівпровідникові гілки n- і p-типів провідності, виконані з потрійних сплавів на основі телуриду вісмуту, комутаційні шини, приєднані до гілок за допомогою комутаційних шарів, і електроізоляційну прошарок, розміщену між гілками, що відрізняється тим, що, з метою зниження вартості при одночасному підвищенні технологічності виготовлення, комутаційні шари виконані з заліза або його сплавів, причому середня частина комутаційного шару розташована на торцевій поверхні електроізоляційної прошарку, а співвідношення товщини комутаційного шару і висоти комутаційної шини становить 1: 3 - 10.

2. Термічні елементи по п. 1, який відрізняється тим, що комутаційні шари виконані з низьколегованої сталі.

3. Елемент по п. 1, який відрізняється тим, що комутаційні шини виконані з алюмінію або його сплавів.

4. Елемент по п. 1, який відрізняється тим, що гілки виконані у формі прямокутних паралелепіпедів, електроізоляційна прошарок приєднана до бічних поверхонь гілок, причому висота електроізоляційної прошарку менше висоти гілок.

5. Термічні елементи по п. 1, який відрізняється тим, що торцева поверхня електроізоляційної прошарку має дугоподібну форму, причому комутаційний шар примикає до електроізоляційної прошарку.

6. Спосіб виготовлення низькотемпературного термоелемента допомогоюпресування гілок з порошків потрійних сплавів на основі телуриду вісмуту при кімнатній температурі, газоплазмового напилення комутаційного шару і подальшого газоплазмового напилення комутаційної шини, що відрізняється тим, що газоплазмове напилення комутаційного шару проводять одночасно на торцеві поверхні холоднопресовані гілок і електроізоляційної прошарку , розташованої між гілками, через 5 - 20 з здійснюють газоплазмове напилення комутаційної шини і потім проводять додаткове зміцнення із застосуванням термообробки.

7. Спосіб за п. 6, який відрізняється тим, що при газоплазмового напилення комутаційного шару в зону плазмоутворення переміщують кінець заготовки у вигляді дроту діаметром 0,5 - 1 мм із заліза або його сплавів зі швидкістю 1 - 1,6 мм / с, при цьому вибирають наступний режим плазмоутворення: потужність, що витрачається 7,6 - 12 кВт при струмі 320 - 400 А і витраті інертного газу 25 - 40 л / хв.

8. Спосіб за п. 6, який відрізняється тим, що додаткове зміцнення проводять за допомогою гарячого пресування в напрямку, перпендикулярному напрямку пресування при виготовленні гілок, при наступних режимах: тиск 3,5 - 4,5 т / см ^2, температура 350 - 370 ^o С, час 3 - 7 хв.

9. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що додаткове зміцнення проводять шляхом відпалу гілок з напиленням шарами в інертному атмосфері при 420 - 450 ^o С протягом 1,5 - 2 ч.

Версія для друку
Дата публікації 13.02.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів