Материалы термоэлементов

Характеристика эффективности (показатель добротности) термо­элемента при оптималь­ном соотноше­нии, сечений ветвей зависит от величин коэффициентов т. э. д. с. (), электро­проводности и теплопроводности (X) двух полупроводниковых элементов. Для одной ветви термоэлемента характеристика эффективности пропор­циональна вели­чине . В совокупности эти физические кон­станты зависят от «атомного строения мате­риала и от.концентрации (n) носителей электричества и их под­вижности (U). Качест­венная зави­симость значений а также величины от от п предста­в­лена на рис.41, а. Из анализа зависимости следует, что задача поиска эффективных материалов для термоэлементов сводится, во-первых, к созданию искусственным путем в этих ма­териалах

такой (оптимальной) концентрации носителей электричества (n₀), при которой величина получает максимальное значение.

Во-вторых, характеристика эффективности обратно пропорцио­нальна теплопроводности материала, ко­торая слагается из тепло­проводности кристаллической решетки , не завися­щей от я, и электронной тепло­проводности , пропорциональной п (рис. 41, б).

Следовательно, при оптимальном значении n₀ вторая задача поиска эффективных мате­риалов сводится к тому, чтобы найти такие веще­ства, которые обеспечи­вали бы максималь­ное снижение теплопро­водности кристаллической решетки. В любом основном полупро­водни­ковом веществе значение х_р может быть понижено за счет вве­дения нейтральных примесей, которые призваны увеличить рассея­ние упругих волн (распространителей теплопроводно­сти) и тем са­мым снизить теплопроводность кристаллической решетки. Обычно роль ней­тральных примесей играют изоморфные со­единения, обра­зующие с основным полупроводни­ковым веществом термоэлемента твердые растворы.

Из известных в литературе полупроводниковых материалов наибольшее применение в последние годы для изготовления ветвей термоэлементов получил теллурид вис­мута и некоторые его твердые растворы с изоморфными соединениями. Тако­выми являются селенин висмута и сурьмянистый теллур .

Теллурид висмута может быть получен как n-, так и р - типа в за­висимости от содержания висмута. При избытке висмута получается теллурид n-типа, при избытке теллурида -теллу­рид р – типа.

Для увеличения подвижности носителей электричества и снижения теплопроводности кристалличе­ской решетки в основной материал термоэлементов вводятся твердые растворы селенина вис­мута или сурьмянистого теллура.

Режимы работы термобатареи

Режим работы термобатареи зависит от величины питаемого постоянного тока. При этом, как следует из выражений (118) и (134) существуют два оптимальных значения питаемого тока: первый (/_опт) обеспе­чивает максимальную холодопроизводительность термобатареи, а второй — максимальную экономичность. При определенном значении характери­стики эффективности термоэле­ментов и питании термобатареи опти­мальными токами и холодопроизводительность и холодильный коэффициент зависят от пере­пада температур . При значении и температуре горячих спаев t = 298 К (25° С) указанные зависи­мости графически отражены на рис. 42.

Для бытового холодильника небольшой емкости необходимый перепад температур горя­чих и холодных спаев термоэлектрической батареи должен быть не менее 30° С. При работе термоэлектриче­ской батареи в режиме максимальной холодопроизводительности

(рис. 42, а) перепад температур Д^ = 30° С может быть достигнут при Qo= 1,73 Вт. Холо­дильный коэф­фициент термобатареи будет составлять при этом 0,25, При работе термобата­реи в режиме ма­ксимальной экономичности (рис. 42, б) этот же перепад температур, может быть, достигнут при Q₀ = 1 Вт, однако значение холо­дильного коэффициента при этом меньше 0,25. При незначительном перепаде темпера­тур холодильный коэффициент режима максимальной экономичности значительно превосходит его значение при режиме макси­мальной холодо­производительности.

Проведенное сравнение показателей работы термобатареи на двух режимах говорит о том, что если термобатарея предназначается для глубокого охлаждения, например в бы­товых холодильниках , то ее следует рассчитывать по режиму максимальной холо­допроизводительности; если же требуемый перепад темпера­тур , что оказыва­ется достаточным для кондиционеров воздуха, то термобатарею следует рассчитывать в режиме макси­мальной экономичности.

Оптимальное напряжение постоянного тока, которым должна питаться термоэлектрическая батарея при работе ее в том или ином режиме, определяется суммой напряжения, потребного для полу­чения опти­мального тока питания, и напряжения, расходуемого на преодоление т. э. д. с. Зеебека, т. е, для обеспе­чения работы термобатареи в режиме максимальной холо­допроизводительности к ней должно быть подведено оптимальное напряжение.

(95)