Электронная промышленность поставляет интегральные схемы (модули) и измерительные преобразователи, которые линеаризируют нелинейные характеристики термопар, регистрируют непостоянную сравнительную температуру свободного конца(холодного спая) и компенсируют ее, а также усиливаю термо ЭДС до уровня стандартного сигнала.

Применение полупроводниковых термопар нашло широкое применение в термоэлектрических генераторах. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой полупроводниковые термопары и предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию, они используются в передвижных АЭУ, питающих труднодоступные объекты, которые монтируются в отдаленных районах Земли (автоматические метеостанции, морские маяки). В перспективе такие объекты могут монтироваться на Луне или на других планетах. В качестве источников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ: радиоактивные изотопы (РИТЭГ), ядерные реакторы (ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭГ). Ориентировочно принимают, что при электрических мощностях от 1 до 10кВт на КЛА целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при повышенных уровнях мощности – ЯРТЭГ. Последние наиболее перспективны для АЭУ КЛА. Достоинства ТЭГ: большой срок службы, высокая надежность, стабильность параметров, вибростойкость. Недостатки ТЭГ: невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10-15 кг/кВт, поверхностная плотность мощности 10 кВт/м (на единицу поперечного сечения элемента), объемная плотность мощности 200-400 кВт/м и сравнительно низкий КПД преобразования энергии (5ч8%). Применительно к ЛА ТЭГ представляют собой батареи кремне-германиевых термоэлектрических элементов (ТЭЭ), которые по матричному принципу соединены в ветвях последовательно, а ветви могут иметь между собой параллельные соединения. Батареи ТЭЭ заключены с герметичные контейнеры, заполненные инертным газом во избежание окисления и старения полупроводников. Плоские или цилиндрические конструкции ТЭГ снабжают устройствами для подвода тепла на горячих спаях и для его отвода на «холодных» спаях полупроводниковых термостолбиков. Конструкция силовых электровыводов ТЭГ должна обеспечивать одновременно термоплотность и электрическую изоляцию от корпуса (контейнера), что представляет достаточно сложную техническую задачу.

В основе действия любого ТЭЭ лежат обратимые термоэлектрические эффекты Пельтье, Томсона (Кельвиан) и Зеебека. Определяющая роль в ТЭГ принадлежит эффекту термо-ЭДС (Зеебека). Преобразование энергии сопровождается необратимыми (диссипативными) эффектами: передачей тепла за счет теплопроводности материала ТЭЭ и протекания тока. Материалы ТЭЭ с приместной электронной и дырочной проводимостью получают введением легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника.

1-стенка нагревателя; 2,6- слои диэлектрика; 4,9-спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков; 3,5,8-металлические шины; 7-стенка холодильника,

Рисунок 7 - Принципиальная схема полупроводникового ТЭГ

При рабочих температурах Т ≥ 900 ч 100 К целесообразны сплавы от 20 до 30 % Ge-Si, а при Т ≤ 600 ч 800 К - материалы на основе теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого ТЭЭ показана на рисунке 1. Тепло Q1 подводится к ТЭЭ (ТЭГ) через стенку нагревателя 1 с помощью теплоносителя (например, жидкометаллического), тепловой трубы или при непосредственном контакте с зоной тепловыделения реактора.Через стенку 7 холодильника тепло Q2 отводиться от ТЭГ (излучение, теплоносителем или тепловой трубой). Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4 и 9 образованны металлическими шинами 3 и 5,8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6 на основе оксидов температур ∆Т=Т1-Т2.

Эффективность ТЭГ обеспечивается существенной разнородностью структуры ветвей 4 и 9 .Ветвь р-типа с дырочной проводимостью получается введением в сплав SI-Ge акцепторных примесей атомарного бора B. Ветвь n-типа с электронной проводимостью образуется при легировании SI-Ge донорными атомами фосфора P. Из-за повышенной химической активности и малой механической прочности полупроводниковых материалов соединение их с шинами 3,5,8 выполняется прослойками из сплава кремний-бор. Для достижения стабильной работы батарея ТЭЭ герметизирована металлической кассетой, заполненной аргоном.

Принцип работы ТЭЭ. (рисунок 1).Кинетическая энергия электронов на конце цепи с Q1> Q2 выше, чем на “холодных” концах с T=T2, следовательно преобладает диффузия электронов от горячего спая к холодным концам, концентрация электронов в р - и n-ветвях различна, поэтому более отрицательный потенциал получает конец термостолбика n-типа , по отношения к которому конец столбика p-типа имеет положительный потенциал. Разность потенциалов E=Z(T1-T2) обуславливает ток I (при замыкании цепи на сопротивление Rн нагрузки) и полезную мощность Di=I2Ri. Работе ТЭГ сопутствуют обратимые эффекты.

Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надёжной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Однако для сохранения высокой точности измерений необходимо соблюдение ряда требований, применение специальных методов. Эти требования и методы уже реализованы в современном промышленном измерительном оборудовании, что позволяет получать высокоточные отсчёты температуры с использованием термопарных датчиков.

Но существующие конструкции термопар обладают рядом недостатков:

- структура металла в месте сварки может нарушаться,

- под действием высоких температур может произойти раскалибровка

термопары в месте сварки,

-нарушение жесткого защемления в местах присоединения компенсационных

проводов.

Одним из способов решения этих недостатков – упрочение зоны горячего спая поверхностным пластическим деформированием. В своей дипломной работе я попробую решить эту проблему.

3 Основные параметрические соотношения векторной

энергетики в оценке материалов термопар.

Для определения основных параметрических соотношений векторной энергетики материалов термопар, рассмотрим термопару как жёстко защемлённый стержень разнородной упругости. Параметры векторной энергетики в данном случае будут:

сила нагружения стержня,- P

модуль упрочнения участка AC. -E1

модуль упругости элемента AB - E2

реакции стержня. - Nac и Nab

Рассмотрим схему формирования начальных остаточных напряжений в пластически деформированном слое его разгрузки из предельного состояния. Для этого возьмём в объёме полунебесконечного тела цилиндрический стержень BC разнородной упругости (рисунок.10), жестко защемленный и нагруженный силой P.

Рисунок 8 - Схема векторного нагружения стержня разнородной упругости

Элемент AC представляет упрочнённый слой с приведенным модулем упрочнения El и высотой 0,015 l , элемент AB – не упрочненный участок с модулем упругости E2, и высотой l (высота 0,015 l соответствует рекомендуемой в литературе минимальной толщине покрытия или максимальной глубине упрочнённого слоя, соответствующей 0,3мм).