ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Выбор материала для элементов

Экономичность термоэлемента, а также максимальное снижение температуры на спаях зависят от эффективности (добротности) полупроводникового веществаz, в которую входят удельная электропроводность?, коэффициенттермоЭДС?и удельнаятеплопроводность?. Эти величины взаимосвязаны, так как зависят от концентрации свободных электронов или дырок. Такая зависимость представлена на рис. 2. Из рисунка видно, что электропроводность?пропорциональна числу носителейn, термоЭДС стремится к нулю с увеличениемnи возрастает при уменьшенииn. Теплопроводность к состоит из двух частей: теплопроводности кристаллической решетки?_p, которая практически не зависит отn, и электронной теплопроводности?_э, пропорциональнойn. Эффективность металлови металлических сплавов мала из-за низкого коэффициента термоЭДС, а в диэлектриках — из-за очень малой электропроводимости. По сравнению с металлами и диэлектрикамиэффективность полупроводниковзначительно выше, чем и объясняется их широкое применение в настоящее время в термоэлементах. Эффективность материалов также зависит от температуры.

Термоэлемент состоит из двух ветвей: отрицательной (n-тип) и положительной (р-тип). Так как материал с электронной проницаемостью имеет термоЭДС с отрицательным знаком, а материал с дырочной проводимостью — с положительным, то можно получить большее значение термоЭДС.

При увеличении термоЭДС растет z. Для термоэлементов в настоящее время применяют низкотемпературные термоэлектрические материалы, исходными веществами которых являются висмут, сурьма, селен и теллур. Максимальная эффективностьzдля этих материалов при комнатных температурах составляет: 2,6·10^-3°С^-1дляn-типа, 2,6·10^-1°С^-1— дляр-типа. В настоящее время Bi₂Te₃применяют редко, поскольку созданные на его основе твердые растворы Bi₂Te₃-Be₂Se₃и Bi₂Te₃-Sb₂Te₃имеют более высокие значенияz. Эти материалы впервые были получены и исследованы в нашей стране, и на их основе освоен выпуск сплавов ТВЭХ-1 и ТВЭХ-2 для ветвей с электронной проводимостью и ТВДХ-1 и ТВДХ-2 — для ветвей с дырочной проводимостью. Твердые растворы Bi-Se применяют в области температур ниже 250 К. Максимального значения z = 6·10^-3°С^-1достигает при Т?80?90 К. Интересно отметить, что эффективность этого сплава значительно повышается в магнитном поле.

Полупроводниковые ветвив настоящее время изготавливают тремя методами: методом порошковой металлургии, литьем с направленной кристаллизацией и вытягиванием из расплава. Метод порошковой металлургии с холодным или горячим прессованием образцов наиболее распространен.

В термоэлектрических охлаждающих устройствах применяют, как правило, термоэлементы, у которых отрицательная ветвь изготовлена методом горячего прессования, а положительная — методом холодного прессования.

Механическая прочностьтермоэлементов незначительна. Так, у образцов сплава Bi₂Te₃-Sb₂Te₃, изготовленных методом горячего или холодного прессования, предел прочности при сжатии составляет 44,6–49,8 МПа. Для повышения прочности термоэлемента между коммутационной пластиной1(рис. 3) и полупроводниковой ветвью6ставится демпфирующая свинцовая пластина3; кроме того, применяют легкоплавкие припои2,4и припой SiSb5. Испытания показывают, что термоэлектрические устройства имеют виброударную стойкость до 20g, термоэлектрические охладители малой холодопроизводительности — до 250g.