КАМЕРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕРМО-ЭДС ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Настоящая полезная модель относится к области термоэлектрического преобразования энергии и предназначена для измерения коэффициентов теплопроводности и термо-ЭДС перспективных термоэлектрических материалов, используемых в термоэлектрических генераторах напряжения и рефрижераторах.
Энергетическая эффективность термоэлектрических материалов определяется их добротностью, прямо зависящей от величин коэффициентов термо-ЭДС (коэффициента Зеебека) и электропроводности и обратно зависящей от теплопроводности.
Более высокая точность измерений базовых термоэлектрических характеристик достигается в статическом режиме. При этом измерения коэффициентов термо-ЭДС и теплопроводности проводятся при наличии температурных градиентов в исследуемом образце, в то время как измерение коэффициента электропроводности - в изотропном температурном поле.
В качестве аналогов заявленной модели можно рассматривать устройства для измерения коэффициентов термо-ЭДС и теплопроводности в статическом режиме, описанные в [J. Martin, T. Trit, C. Uber. Journal of Applied Physics, v. 108, p. 121101 (2010); A. Franco. Applied Thermal Engineering, v. 21, p. 2495 (2007)]. Поскольку в этих устройствах измерения указанных величин выполняются в ячейках, имеющих конфигурацию «источник тепла - теплопровод - датчик теплового потока - теплопровод - металлический контакт - образец - металлический контакт - теплопровод - датчик теплового потока - теплопровод - теплоотвод», то результаты измерения оказываются особенно чувствительными к надежности тепловых контактов между образцом и остальными деталями измерительной ячейки, а также к неконтролируемым потерям тепла с боковых поверхностей образца. Не менее значительной проблемой здесь является обеспечение надежного электрического контакта между образцом и металлическими контактными элементами, поскольку несимметричность вольтамперных характеристик контактов «металл-полупроводник» приводит к сильной зависимости точности результатов измерений от формы этих характеристик. Кроме того, протекание электрического тока через контакт «металл-полупроводник» приводит к инжекции носителей заряда из металла в полупроводник, что влияет на проводимость полупроводника и приводит к возникновению неконтролируемого градиента температуры в образце и к генерации дополнительной термо-ЭДС.
Наиболее близким к настоящей модели по технической сущности и достигаемому результату является измерительная ячейка [см. патент US 3733887, МПК G01N 25/18, 22.05.1973], принятая в качестве прототипа и предназначенная для измерений коэффициентов объемной и поверхностной теплопроводности и термо-ЭДС. В режиме измерений теплопроводности из элементов данной ячейки собирается тепловая цепь «нагреватель - медный цилиндрический теплопровод - керамическая изоляционная шайба - медная контактная шайба - исследуемый образец - медная контактная шайба - керамическая изоляционная шайба - термоэлектрический датчик теплового потока (элемент Пельтье) - керамическая изоляционная шайба - медный цилиндрический теплопровод - теплоотвод», в режиме измерения термо-ЭДС конфигурация измерительной ячейки меняется.
Недостатками прототипа и аналогов являются невозможность точного учета тепловых потерь с боковых поверхностей образца и необходимость демонтажа тепловых контактов при переходе от измерений теплопроводности к измерениям термо-ЭДС, что существенно влияет на точность выполняемых измерений.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка ячейки для измерения коэффициентов термо-ЭДС и теплопроводности полупроводниковых термоэлектрических материалов, в которой устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является повышение точности измерений вследствие существенного уменьшения тепловых потерь с боковых поверхностей исследуемого образца, почти полного исключения продольной передачи тепла над поверхностью образца и создания в объеме образца стационарного и практически одномерного теплового потока, а также вследствие частичного устранения неконтролируемых эффектов в области тепловых и электрических контактов.
Технический результат достигается тем, что детали измерительной ячейки помещены в герметизированный сосуд, в объеме которой для уменьшения конвекционных потерь тепла с поверхности образца создается вакуум, а элементы ячейки, для уменьшения радиационных потерь, расположены в центре цилиндрического лучевозвращающего зеркала с периодической структурой, при этом обеспечена возможность выполнения измерений коэффициентов теплопроводности и термо-ЭДС без демонтажа тепловых и электрических контактов между элементами измерительной ячейки, а также возможность переключения направления теплового потока.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:
- на фиг. 1 схематично изображена камера с элементами измерительной ячейки;
- на фиг. 2 - горизонтальное сечение измерительной ячейки на уровне середины образца;
- на фиг. 3 - фрагмент вертикального сечения измерительной ячейки в радиальной плоскости.
На фигурах элементы модели обозначены следующими позициями:
1 - исследуемый образец;
2 - медные концентраторы теплового потока;
3 - датчики теплового потока (термоэлектрические модули);
4 - устройство «нагрев - охлаждение»;
5 - теплоизолирующее покрытие;
6 - лучевозвращающая зеркальная поверхность цилиндрического теплового экрана;
7 - стеклянный колпак;
8 - герметизирующее резиновое кольцо;
9 - основание корпуса камеры;
1
4
ТП÷ТП - термопары «медь-константан».
1
2
3
4
Внешней оболочкой измерительной камеры является герметизированный сосуд, состоящий из стеклянного колпака 7 и металлического основания 9, состыкованных друг с другом посредством герметизирующего резинового кольца 8. С помощью вакуумного насоса в объеме камеры может быть создан вакуум, что необходимо для уменьшения конвекционных потерь тепла с боковых поверхностей исследуемого образца 1. В центральной части камеры находится измерительная ячейка, в которой исследуемый образец 1 в форме прямого цилиндра с помощью фольги из сплава «свинец-индий» приводится в надежный тепловой и электрический контакт с двумя медными концентраторами теплового потока 2, находящимися в тепловом контакте с керамическими поверхностями термоэлектрических модулей 3, используемых в качестве датчиков теплового потока, излучаемого одним из устройств «нагрев-охлаждение» 4, в то время как второе такое устройство переводится в режим охлаждения путем подачи холодного газа во встроенный змеевик. Для устранения излучения тепла в окружающее пространство внешние поверхности устройств «нагрев-охлаждение» покрыты теплоизолирующим материалом 5. В режиме измерения термо-ЭДС в качестве потенциальных зондов используются медные ветви термопар ТП и ТП. Термопары ТП и ТП служат для контроля температуры керамических обкладок термоэлектрических модулей 3, используемых для определения величины теплового потока.
Отличием предлагаемой конструкции камеры для измерения коэффициентов термо-ЭДС и теплопроводности является то, что в ней радиационные потери тепла с боковых поверхностей образца 1 в значительной степени уменьшаются вследствие отражения излученных тепловых лучей от внутренней лучевозвращающей поверхности цилиндрического теплового экрана 6. Периодическая структура этой поверхности создана таким образом, чтобы лучи, излученные из некоторой точки боковой поверхности элементарного поперечного слоя образца 1 или медного концентратора 2, возвращались в ту же или другую точку поверхности этого же слоя (см. фиг. 2 и фиг. 3). Таким образом почти полностью исключается радиационный канал передачи тепла вдоль оси образца, при этом обмен тепловой энергией между различными точками поверхности каждого слоя приводит лишь к выравниванию температур этих точек и, следовательно, к одномерности теплового потока. Кроме того, предлагаемое устройство отличается от прототипа наличием двух устройств «нагрев-охлаждение», позволяющих переключать направление теплового потока через образец 1 и, таким образом, исключать эффекты несимметричности транспортных характеристик тепловых и электрических контактов.
1
2
3
4
1
2
Предлагаемая измерительная камера работает без демонтажа деталей измерительной ячейки в двух режимах - измерение коэффициента теплопроводности и термо-ЭДС. При измерении теплопроводности на первом этапе верхнее устройство «нагрев-охлаждение» 4 используют как нагреватель, а нижнее устройство - как теплоотвод. Количество тепла, пропускаемого через образец, регулируют путем изменения мощности резистивного нагревателя верхнего устройства 4 и определяют с помощью датчиков теплового потока 3. Температуры элементарных слоев образца 1 определяют с помощью термопар ТП и ТП. Данные термопар ТП и ТПиспользуют для калибровки показаний датчиков 3. На втором этапе режимы устройств 4 переключают. В качестве окончательного результата берут среднеарифметическое от результатов, полученных на этапах 1 и 2. Измерение коэффициента термо-ЭДС также проводится для противоположных направлений теплового потока через образец. В этом случае среднюю температуру образца получают с помощью устройств 4, работающих в режиме нагрева (или охлаждения). Требуемую разность температур в точках контактов ТП и ТП с образцом 1 получают путем подачи соответствующих напряжений на термоэлектрические модули 3.