ТЕРМОБАТАРЕЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01L35/32 H01L35/34 

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, в частности к термоэлектрическим батарейным преобразователям и способам их создания для получения электроэнергии или для измерения температуры.

Известны термоэлектрические преобразователи, например термоэлектрический модуль, изготовленный из металлических термоэлектрических материалов разного химического состава. Отдельные ветви термоэлементов в нем соединены точечной сваркой предварительно намотанных термоэлектрических проводников с последующим разделением по местам сварки [1].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является термопреобразователь - батарея термопар. Она представляет собой термоэлектродный металлический провод, на отдельных участках которого имеется покрытие из другого материала [2].

Недостатком рассмотренных устройств является сложность конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления термобатареи путем намотки термоэлектродного проводника на каркас, предварительно укладывая на него дополнительно изолированный провод, и проведения после этого гальванического нанесения второго термоэлектрода в струе электролита, позволяющего создать спай элетктродов на строго заданном участке [3].

Недостатком способа является сложность изготовления батареи термопар, связанная с трудоемкостью операции по гальваническому нанесению второго элемента.

Целью изобретения является упрощение термобатареи и способа ее изготовления.

Цель достигается тем, что в термобатарее, содержащей термоэлектродный проводник, он изготовлен из полиморфного материала и выполнен в виде чередующихся участков, содержащих высоко- и низкотемпературные фазы, переходные области между которыми поочередно обращены к нагревателю и холодильнику. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Использование полиморфных сплавов, испытывающих фазовые превращения, для изготовления термоэлектродного проводника позволяет получить бесконтактную термобатарею в виде неограниченного количества термоэлементов, соединенных последовательно. Известных в науке и технике технических решений со сходными признаками не обнаружено. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показана предлагаемая термобатарея. Она содержит проводник 1 из полиморфного материала, который имеет участки с низкотемпературной 2 и высокотемпературной 3 фазами и изогнут так, что переходные области 4 поочередно обращены к нагревателю 5 и холодильнику 6. При подключении нагрузки 7 в цепи протекает термоток, который регистрируют прибором 8.

Работа термобатареи заключается в следующем.

Два участка с разным фазовым составом образуют термоэлемент предлагаемой термобатареи. Величина термоЭДС батареи зависит от числа термоэлементов, которые включены последовательно, и разности температур, создаваемых в переходных областях нагревателем и холодильником. При этом необходимо учесть, что температуры нагревателя и холодильника не должны выходить за интервалы стабильности низко- и высокотемпературных фаз. Количество термоэлементов зависит от длины отдельных ветвей и общей длины проводника. Особых требований к сечению проводника нет: он может быть выполнен из проволоки, фольги или др.

В качестве полиморфного сплава может быть использован сплав на основе железа, например железоникелевый с содержанием никеля около 30%. Полиморфные сплавы этого класса могут иметь низко- или высокотемпературную кристаллическую структуру в широком температурном интервале, достигающем 400^оС.

Цель достигается тем, что согласно способу изготовления термобатареи, основанному на намотке термоэлектродной проволоки на каркас, термоэлектродную проволоку из полиморфного железоникелевого сплава переводят в однофазное состояние, наматывают на каркас с последующей укладкой теплоизоляции на половину каркаса, формируют чередующиеся участки с разным фазовым составом путем термообработки другой половины и удаляют теплоизоляцию. Для получения максимального значения термоЭДС термообработку проводят до температуры окончания фазового перехода. Такая последовательность не использовалась ранее для изготовления термобатарей, следовательно, предлагаемый способ удовлетворяет критерию "новизна".

Заявляемый способ включает только операции по термообработке, изгибу и укладке теплоизоляционного каркаса и не требует операций по нанесению второго материала.

На фиг. 2 показан пример технического исполнения предлагаемой термообработки по описываемому способу. Проводник 9 из полиморфного сплава изгибают в виде спирали таким образом, что переходные области 10 между участками с высокотемпературной 11 и низкотемпературной 12 фазами поочередно находятся либо у нагревателя 13, либо у холодильника 14. При включении нагрузки 15 электрический ток регистрируют прибором 16.

Для реализации предлагаемого способа термоэлектродный проводник должен иметь вначале однофазную структуру, например высокотемпературную, для чего проводник отжигают при температуре выше температуры полного перехода и охлаждают. При комнатной температуре проводник 17 (фиг.3) наматывают спирально на каркас 18, половину которого теплоизолируют, для чего поверх намотанной проволоки укладывают теплоизоляционный материал 19 и защитный кожух 20, а вторую опускают в жидкий азот (охлаждают до температуры 78К). Охлаждение до этой температуры обеспечивает почти полный переход высокотемпературной фазы в низкотемпературную в половине каждого витка спиральной намотки и чередование участков с разными фазами, образующих элементы термообработки, соединенные последовательно. После воздействия холодом теплоизоляцию удаляют. Теплоизоляция позволяет сохранить защищенные участки в первоначальном фазовом состоянии.

Участки с различной кристаллической структурой проводника из полиморфного сплава можно получить аналогично, если он в исходном состоянии имеет низкотемпературную структуру. Операции и их последовательность в этом случае те же, только половину незакрытой спирали отжигают при температуре выше температуры фазового перехода низкотемпературной фазы в высокотемпературную.

Термобатарея, изготовленная по предлагаемому способу, была практически реализована из проволоки сплава 30% Ni - 70% Fe. Она имела n пар участков с высокотемпературной (γ -фазой) и низкотемпературной (α -фазой) структурами, располагаемых на сплошном проводе, изогнутом так, что области между α - и γ -фазами поочередно обращены к нагревателю и холодильнику. Для получения однофазного состояния (γ -фазы) проволоку отожгли при температуре около 973К и охладили до комнатной температуры. При этой температуре проволоку намотали спирально на каркас, половину которого теплоизолировали, а вторую половину опустили в жидкий азот (охладили до 73К). Охлаждение до этой температуры обеспечило γ ->> α -переход в половине каждого витка спиральной намотки и чередование участков с α - и γ -фазами, образующих элементы термообработки, соединенные последовательно. После воздействия холодом теплоизоляцию удалили.

Предложенная термобатарея проста по конструкции, используемые материалы дешевы и экологически чисты. Предлагаемый способ ее изготовления отличается от известных технологичностью, что позволит автоматизировать производство термобатареи с любым количеством термопар, не требуя больших энергетических затрат.

Использование: в области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую при изготовлении термоэлектрических батарей. Предлагается использование полиморфных сплавов на основе железа, испытывающих фазовые превращения, для формирования чередующихся областей с разной кристаллической структурой, играющих роль термоэлементов, соединенных последовательно в термобатарею. Для этого термоэлектронную проволоку из полиморфного железоникелевого сплава предварительно переводят в однофазное состояние, наматывают на каркас, укладывают теплоизоляцию на одну половину каркаса, формируют чередующиеся участки с разным фазовым составом путем термообработки другой половины. Термообработку проводят до температуры окончания фазового перехода. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

ТЕРМОБАТАРЕЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ.